LED (Light Emitting Diode)

Công nghệ LED đã và đang trở thành công nghệ được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực. Vậy công nghệ LED là gì? Chúng ta hãy cùng đi tìm hiểu những thông tin cơ bản về công nghệ chiếu sáng tiên tiến này nhé!

1. Đèn LED là gì?

1.1. Khái niệm LED

LED (viết tắt của Light Emitting Diode, có nghĩa là điốt phát quang) là các diode có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại. Cũng giống như diode, LED được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p ghép với một khối bán dẫn loại n.

Tương tự như bóng đèn tròn bình thường nhưng không có dây tóc ở giữa, đèn LED tạo ra nhiều ánh sáng hơn, tỏa nhiệt ít hơn so với các thiết bị chiếu sáng khác.

LED là thiết bị bán dẫn tạo ra ánh sáng. Ban đầu đèn LED chỉ được sử dụng để làm tín hiệu (đèn thông báo các thiết bị điện tử bật tắt, có điện hay chưa có điện,…) nhưng bây giờ chúng được sử dụng rộng rãi cho nhiều ứng dụng chiếu sáng lớn nhỏ khác nhau như chiếu sáng trong nhà, ngoài trời và cả trang trí.

Hình 1. Một số hình ảnh của LED.

1.2. Kí hiệu điện tử của LED

Hình 2. Biểu tượng thể hiện điốt với cực âm, cực dương và hai mũi tên thể hiện sự phát sáng.

Đèn LED có một lịch sử lâu đời kể từ năm 1907 khi một nhà vật lý người Anh phát hiện ra các tinh thể carbide silicon có thể tạo ra ánh sáng khi bị dòng điện đi qua. Rubin Braunstein của Tổng công ty Radio của Mỹ cùng với Robert Biard và Gary Pittman của Texas Instruments đã đóng góp vào sự phát triển của đèn LED hồng ngoại. Năm 1962, một nhà khoa học của GE, Nick Holonyak phát triển đèn LED ánh sáng nhìn thấy được đầu tiên. LED này phát ra ánh sáng đỏ. Sau đó George Craford phát triển đèn LED ánh sáng màu vàng. Và đầu những năm 1990, Shuji Nakamura của công ty Nichia đã phát minh ra đèn LED với ánh sáng xanh, mở đường cho sự lai tạo ra đèn LED ánh sáng trắng vào cuối những năm 1990.

2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LED

Hình 3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của chip LED.

2.1. Cấu tạo

Hình 4. Hình ảnh của chip LED.

Mỗi điểm LED (Light Emitting Diode) là một diode cực nhỏ, phát sáng do sự vận động của các electron bên trong môi trường bán dẫn. Để chiếu sáng toàn bộ màn hình, các đèn nền LED phải xếp tương ứng 1-1 với ma trận điểm ảnh màu.

Việc sắp xếp như vậy cho phép điều chỉnh độ sáng chính xác đến từng điểm ảnh trên toàn bộ màn hình, mang lại sự tương phản tốt hơn và loại bỏ được hiện tượng lệch màu tại các góc mà màn hình LCD chiếu sáng nền bằng đèn huỳnh quang (CCFL) thường gặp phải. Ngoài ra, “bóng đèn” LED lại tiêu tốn ít điện năng hơn những thiết bị phát sáng khác.

Tuy nhiên, màn hình càng lớn càng cần nhiều LED và giá thành vì thế cũng leo thang đến mức chóng mặt.

Chip led được gắn lại với nhau nhằm nâng cao khả năng phát ánh sáng. Ba loại tổ hợp phổ biến hiện này là : DIP, SMD và COB.

Trong ứng dụng làm thiết bị chiếu sáng, các chip LED được lắp ráp với nhau thành một nguồn phát ánh sáng nằm bên trong  các sản phẩm có hình dạng như: bóng tròn, tuýp dài, hình nến, hình cầu, downligt… được gọi là đèn led.

Hình 5. Loại chip led SMD được gắn trên bản mạch thành nguồn sáng của đèn tuýp.

Hình 6. Sơ đồ cấu tạo của đèn LED.

2.2. Đèn LED hoạt động thế nào?

  • Cũng tương tự như một con diode, đèn LED có cấu tạo bao gồm một cực âm và một cực dương được tách ra bởi một khối bán dẫn tại trung tâm. Khối bán dẫn này được ghép bởi 2 loại P và N. Toàn bộ được đặt trong một vỏ nhựa, có tác dụng như một lăng kính để định hướng ánh sáng phát ra ngoài.
  • Tùy theo mức năng lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng phát ra khác nhau (tức màu sắc của LED sẽ khác nhau). Mức năng lượng (và màu sắc  của LED) hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc năng lượng của các nguyên tử chất bán dẫn.
  • Tùy vào từng loại LED mà điện áp phân cực thuận khác nhau. Đối với LED thường thì điện áp phân cực thuận khoảng 1,5V đến 2,5V; còn đối với LED siêu sáng thì  điện áp phân cực thuận có thể lên tới 5V.
  • Khi LED hoạt động bình thường thì cường độ dòng điện từ 10mA đến 50mA.

Khi cho dòng điện chạy tự cực đương (phía P) tới cực âm (phía N). Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp P-N, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng 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).

Hình 7. Quang phổ của bức xạ điện từ.

Hình trên cho thấy quang phổ của bức xạ điện từ. Trong các thành phần khác nhau của ánh sáng đỏ có thể nhìn thấy có bước sóng dài nhất là 700nm (ít năng lượng nhất) trong khi tím có bước sóng ngắn nhất 400nm (nhiều năng lượng nhất).

Vì một đèn LED tạo ra ánh sáng trong một dải hẹp của các bước sóng, phosphor thường được sử dụng để cải thiện quang phổ ánh sáng trắng được tạo ra bởi một đèn LED. Nó cũng có thể kết hợp nhiều con LED với các bước sóng khác nhau để tạo ra ánh sáng với quang phổ đầy đủ.

3. Tính năng và đặc điểm

3.1. Tính năng

– Đèn led có tuổi thọ và hiệu suất lớn hơn nhiều lần đèn sợi đốt và hiệu quả hơn so với hầu hết các loại đèn huỳnh quang. Một số chip có khả năng phát ra hơn 300 lumen/watt. Năm 2014, thị trường LED đạt 2 tỷ USD và dự kiến có thể đạt mức 25 tỷ USD vào năm 2023. Theo thống kế trong năm 2016, các thiết bị chiếu sáng ứng dụng công nghệ led mới chỉ chiếm 10% thị phần so với các công nghệ chiếu sáng khác.

– Không giống như hầu hết các bóng đèn huỳnh quang (huỳnh quang compact hoặc đèn CFL), LED phát sáng hoàn toàn mà không cần thời gian khởi động. Do vậy tuổi thọ của chúng cao hơn đèn huỳnh quang. Chi phí ban đầu để mua đèn led thường cao hơn loại sợi đốt hay huỳnh quang, tuy nhiên xét về mức độ tiết kiệm điện năng và tuổi thọ thì chúng được đánh giá tiết kiệm chi phí hơn.

– Hiện nay hầu hết các sản phẩm được thiết kế theo đui tiêu chuẩn có thể thay thế trực tiếp cho bóng đèn sợi đốt hoặc huỳnh quang. Trên LED phát ra tia hồng ngoại được dùng trong các thiết bị điều khiển từ xabao bì thường ghi rõ lumen, công suất Watt, nhiệt độ màu, phạm vi nhiệt độ hoạt động. Chúng không phát ra ánh sáng theo mọi hướng, và các đặc tính hướng của chúng ảnh hưởng đến việc thiết kế, mặc dù ngày nay đã có không ít những thiết kế có góc chiếu sáng 360 độ.

– Giống như hầu hết các thiết bị chiếu sáng khác, LED bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ cao, mặc dù chúng phát ra rất ít nhiệt khi hoạt động. Nhưng phần nhiệt độ này cũng đủ để gây ra những tổn hại như giảm lumen, giảm tuổi thọ. Do đó, trong thiết kế thường  có thêm bộ phận tản nhiệt, làm mát. Tuổi thọ của đèn LED phụ thuộc lớn vào chất lượng của bộ tản nhiệt.

– Để hoạt động, chip LED đòi hỏi phải chuyển đổi dòng điện từ xoay chiều sang dòng điện một chiều bằng một thiết bị biến áp và chuyển đổi gọi là driver. Đèn LED đi kèm một driver chất lượng có thể đảm bảo tuổi thọ dài cho và cung cấp các tính năng điều khiển ánh sáng. Nó có thể được đặt bên trong bóng đèn (loại tích hợp) hoặc được đặt bên ngoài (loại độc lập). Tùy theo ứng dụng chiếu sáng mà được áp dụng driver khác nhau (Ví dụ: như trình driver ngoài trời cho ánh sáng đường phố, driver điểm cho chiếu sáng trong nhà và driver tuyến tính cho các đèn quảng cáo).

3.2. Ưu điểm và nhược điểm

– Ưu điểm:

  • Phát ra nhiều quang thông ánh sáng hơn các loại khác với cùng mức công suất.
  • Kích thước nhỏ gọn hơn so với các loại đèn khác.
  • Có thể bật và tắt nhiều lần mà không ảnh hưởng tới tuổi thọ.
  • Có thể kết hợp với dimmer.
  • Có tuổi thọ rất dài.
  • Chiếu sáng theo hướng.

– Nhược điểm:

  • Giá khởi điểm cao.
  • Ảnh hướng bởi nhiệt độ.
  • Rất nhạy với điện áp.
  • Chất lượng ánh sáng.

4. Lợi ích của LED

  • Có nhiều kích thước, hình dáng, màu sắc.
  • Giá thành chấp nhận được, tiết kiệm được chi phí.
  • Được chế tạo từ vật liệu polyme, LED có độ bền cao, dễ vận chuyển mà không lo bị vỡ.
  • LED cho nhiều ánh sáng, có tuổi thọ tới 70 nghìn giờ sử dụng, (nếu một ngày thắp sáng 8 giờ thì sau 23 năm mới phải thay bóng).
  • Tiết kiệm điện năng 70 đến 80% so với loại đèn thông thường.
  • Nhiệt năng sinh ra trong quá trình hoạt động không đáng kể.
  • Hoạt động tốt trong điều kiện nhiệt độ thấp.
  • Sử dụng dòng điện một chiều với hiệu điện thế nhỏ.
  • Thân thiện với môi trường vì không sinh ra tia cực tím, không có thủy ngân… 

5. Lịch sử phát triển công nghệ LED

Công nghệ đèn đa sắc LED đã trở thành công nghệ chiếu sáng hàng đầu hiện nay.

Công nghệ LED (Light-emitting Diode) lần đầu tiên được nhà khoa học Oleg Losev phát minh ra ở Nga vào năm 1920. Bóng đèn LED được giới thiệu thương mại hóa lần đầu tiên ở Mỹ năm 1962. Nick Holonyak Jr – được xem là cha đẻ của công nghệ đèn đa sắc LED – đã hợp tác cùng với M. Geogre Crawford ở Trường Đại học Illinois (Hoa Kỳ) để hoàn thiện hết các màu sắc sẵn có của LED.

Kể từ đó, công nghệ đèn chiếu LED được gắn liền với sự phát triển của công nghệ chiếu nền trong những chiếc TV. Sau này, đèn LED tiếp tục được phát triển rộng rãi và bắt đầu được áp dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau.

Điểm khác biệt duy nhất giữa công nghệ màn hình LED và công nghệ LCD hiện thời chính là hệ thống đèn chiếu nền phía sau hay còn gọi là đèn backlight.

Đối với công nghệ LCD thông thường, các nhà sản xuất dùng hệ thống đèn nền CCFL, tức đèn nền huỳnh quang cathode lạnh. Đèn nền CCFL gồm các bóng đèn dạng ống bố trí song song nằm ngang. Nhược điểm của đèn nền CCFL là không thể tắt hẳn ở những pixel nhất định mà phải tắt cả khu vực, chính vì vậy không thể cho độ tương phản cao, đồng thời các vùng tối và sắc đen không được thể hiện một cách chính xác.

Công nghệ màn hình LED trang bị hệ thống đèn nền bằng các diode phát quang. Chúng có thể thay đổi màu sắc ánh sáng theo bước sóng, vì thế chỉ một đèn diode phát quang có thể tạo ra rất nhiều sắc màu mà không bị giới hạn bởi các ánh sáng đơn sắc như bóng đèn thường. Ưu điểm của đèn nền LED là cho dải màu rộng hơn, màu sắc trung thực và độ sáng cao hơn 40% so với đèn nền thông thường.

Về mặt mỹ thuật, màn hình sử dụng công nghệ màn hình LED không cần dùng panel kính nên khung viền màn hình được thiết kế mỏng hơn, giúp màn hình trở nên thanh thoát.

Màn hình sử dụng công nghệ LED backlight không những giúp tiết kiệm 30% điện năng tiêu thụ so với màn hình LCD thường mà còn là một sản phẩm điện tử xanh: không sử dụng các chất gây hại cho môi trường như thủy ngân, chì…, vì các mối hàn được thay bằng hợp kim đồng bạc.

6. Các ứng dụng công nghệ LED

– Trước đây: Một bộ phận rất nhỏ của công nghệ LED được ứng dụng trong một số lĩnh vự như bộ phận hiển thị trong các thiết bị điện, điện tử, đèn quảng cáo, trang trí, đèn giao thông.

  • Có nghiên cứu về các loại LED có độ sáng tương đương với bóng đèn bằng khí neon. Đèn chiếu sáng bằng LED được cho là có các ưu điểm như gọn nhẹ, bền, tiết kiệm năng lượng.

Hình 8. Đèn chiếu sáng bằng LED.

  • Các LED phát ra tia hồng ngoại được dùng trong các thiết bị điều khiển từ xa cho đồ điện tử dân dụng.

Hình 9. LED phát ra tia hồng ngoại (ở đầu Remote) được dùng trong các thiết bị điều khiển từ xa.

  • LED còn được sử dụng để cung cấp ánh sáng bổ sung cho thực vật, nhất vào giao đoạn nảy mầm và ra hoa.

– Ngày nay: Tại Việt Nam công nghệ LED đã có những bước nhảy vọt trong ứng dụng vào thị trường dân dụng và công nghiệp một cách rộng rãi. Cụ thể trong từng lĩnh vực là:

  • Chiếu sáng dân dụng: Đèn LED được ứng dụng mạnh mẽ vào lĩnh vực trang trí nội thất hiện đại và cổ điển, trang trí ngoại thất, tiểu cảnh, sân vườn,…

Hình 10. Công nghệ LED ứng dụng trong thiết kế và trang trí nội thất.

  • Chiếu sáng công nghiệp: Vì có chi phí cao nên mặc dù hiểu rõ được tính ưu việt của công nghệ LED, nhưng chỉ một bộ phận nhỏ các nhà doanh nghiệp nước ngoài có năng lực về tài chính mới dám lựa chọn giải pháp chiếu sáng bằng công nghệ LED cho các nhà xưởng sản xuất của doanh nghiệp mình.

Hình 11. Giải pháp chiếu sáng bằng công nghệ LED cho các nhà xưởng sản xuất.

– Công nghệ LED còn ứng dụng trong thiết kế và trang trí nội thất.

Hình 12. Công nghệ LED ứng dụng trong thiết kế và trang trí nội thất.

Công nghệ LED đang đi vào cuộc sống thường ngày của người tiêu dùng thông qua nhiều hình thức sản phẩm đa chủng loại như  đèn chiếu sáng sử dụng các LED phát ánh sáng trắng. LED cũng được dùng để làm bộ phận hiển thị trong các thiết bị điện, điện tử, đèn quảng cáo, trang trí, đèn giao thông.

– Đèn LED trắng nói riêng và đèn LED nói chung có nhiều ứng dụng rộng rãi mà đèn huỳnh quang không làm được như đèn xe, đèn đường, đèn hầm mỏ, đèn chiếu hậu cho màn hình của điện thoại cầm tay, đèn chiếu hậu cho màn hình tinh thể lỏng (LCD), in ấn kỹ thuật số…

– Một đặc điểm khác của đèn LED là ít tiêu hao năng lượng và không nóng. Bóng đèn truyền thống, đèn neon, đèn halogen… đều cần từ 110-220 V mới cháy được, trong khi đèn LED trắng chỉ cần từ 3-24 V để phát sáng. Do ít tiêu hao năng lượng nên đèn LED có thể sử dụng ở vùng sâu vùng xa mà không cần nhà máy phát điện công suất cao.

Trần Lê Mân