Đèn LED

DENLEDNHAT.COM – Hơn 80 năm qua các bóng đèn điện thắp sáng chủ yếu chỉ dùng hiệu ứng nóng sáng (incandescence) hoặc huỳnh quang (fluoescence).

Bóng đèn sợi đốt

Bóng dèn sợi đốt

Bóng đèn huỳnh quang

Bóng đèn huỳnh quang

Bóng đèn HID

Bóng đèn LED

Bóng đèn LED

Như những điốt thông thường, LED là một chip bằng vật liệu bán dẫn có cấy tạp chất để tạo thành một chuyển tiếp p-n, dẫn điện theo một chiều. Những điện tử và lỗ từ các điện cực có điện thế khác nhau chảy vào chuyển tiếp. Khi một điện tử gặp một lỗ, nó rơi xuống một mức năng lượng thấp hơn và nhả năng lượng ra dưới dạng một quang tử (photon). Bước sóng của quang bức xạ ra, và từ đó là màu của nó phụ thuộc khoảng cách mức năng lượng của các vật liệu hình thành chuyển tiếp p-n.

• Phương pháp trộn màu, đem tổ hợp các LED màu đỏ, màu xanh và xanh lá cây (green) theo một tỷ lệ nhất định về số lượng và độ sáng. Tối thiểu phải dùng 2 loại LED (xanh và vàng), nhưng cũng có thể dùng 3 loại (đỏ, xanh, xanh lá cây) hay 4 loại (đỏ, xanh, xanh lá cây, vàng).
• Phương pháp biến đổi bước sóng, đặt LED màu xanh trong một hệ có chứa phốt pho chuyển đổi màu, biến một phần ánh sáng xanh ra màu đỏ và màu lá cây, làm cho mắt người cảm nhận thấy ánh sáng hỗn hợp tạo ra là màu trắng. Đơn giản nhất là sử dụng LED màu xanh với phốt pho màu vàng: cho ánh sáng xanh của LED kích thích một chất phốt pho có khả năng tái bức xạ ra màu vàng. Hỗn hợp ánh sáng xanh và vàng theo một tỷ lệ nào đó sẽ cho ra ánh sáng tựa như màu trắng. Nếu muốn có màu trắng thật hơn thì dùng LED màu xanh với nhiều loại phốt pho tái bức xạ ra những màu khác nhau, ánh sáng hỗn hợp tao ra có phổ tần phong phú và rộng hơn, nhưng giá thành cũng cao hơn. Cũng có thể dùng LED cực tím với các phốt pho tái bức xạ màu đỏ, xanh, xanh lá cây, khi đó ánh sánh hỗn hợp (theo một tỷ lệ nhất định) là màu trắng với phổ tần phong phú và rộng nhất.  
• Phương pháp LED màu xanh kích thích các điểm quang tử (quantum dot): đem bọc đầu LED màu xanh bằng một lớp siêu mỏng những tinh thể nano chứa 33 hoặc 34 cặp nguyên tử (thường là Cadmium và Selenium). Ánh sáng xanh kích  thích các điểm quang tử sẽ tạo ra được ánh sáng hỗn hợp màu trắng, có phổ tần tương tự LED cực tím với các loại phôtpho đã nói ở trên.
• Phương pháp homoepitaxial ZnSe: hãng Sumitomo Electric (Nhật bản) dùng công nghệ homoepitaxial cấy LED xanh trên một lớp nền ZnSe, để vùng hoạt tính phát ra ánh sáng xanh còn vùng nền phát ra ánh sáng vàng. Ánh sáng hỗn hợp có màu trắng với phổ tần tương tự LED cực tím và các phốt pho, nhưng vì không dùng phốtpho nên hiệu suất phát ánh sáng trắng cao hơn.

Đánh giá

• Về lý thuyết phương pháp trộn màu cho hiệu suất phát sáng cao hơn phương pháp biến đổi bước sóng, vì không có sự tổn hao quang năng do chất phốtpho chuyển đổi bước sóng. Tuy vậy, để tạo thành một đèn thắp sáng phải ghép nhiều LED. Với độ sáng yêu cầu như nhau thì đèn dùng toàn LED phát ánh sáng trắng đơn giản và có thể ghép theo cấu hình bất kỳ, còn với đèn dùng phương pháp trộn màu việc bố trí LED phức tạp và kích thước đèn lớn hơn. Ngoài ra, do thời gian thoái hóa của các loại LED có màu khác nhau chênh lệch khá nhiều, cho nên sau một thời gian sử dụng ánh sáng ra của đèn dùng phương pháp trộn màu biến chất. Vì vậy ngày nay không mấy ai sản xuất loại nầy nữa.

• Đèn thắp sáng dùng LED có ưu điểm hơn những đèn dùng các nguyên lý cổ điển ở mấy điểm sau:

  • Bền – không sợ đứt tóc hay vỡ bóng.
  • Tuổi thọ cao – Tuổi thọ LED đến khoảng 100.000 giờ.
  • Tiêu thụ điện năng ít – Hiệu suất phát sáng của LED cao.
  • Mềm dẻo trong sử dụng – LED có kích thước nhỏ nên dễ ghép thành đèn hay mảng phát sáng theo cấu hình bất kỳ.
  • Bức xạ nhiệt thấp – tổn hao năng lượng vì bức xạ nhiễu rất bé.

Khó khăn về giá thành

Tầm nhìn

• Chính phủ Mỹ chủ trương tìm công nghệ mới để đến năm 2025 giảm 50% mức tiêu thụ điện năng cho thắp sáng. Đèn dùng LED được coi là phương tiện đáng tin cậy nhất để đạt mục tiêu đó. Các tập đoàn công nghệ vi điện tử Mỹ đang khẩn trương nghiên cứu cải tiến LED, và đã đạt nhiều kết quả đáng khích lệ, cường độ phát sáng của đèn dùng LED tăng gấp đôi sau mỗi chu kỳ 18 tháng, và chắc chắn rằng đèn LED là sản phẩm sáng tạo để thay thế được đèn huỳnh quang.
• LED phát ánh sáng trắng đã đạt và vượt hiệu suất phát sáng của đèn thắp sáng theo nguyên lý nóng sáng. Năm 2002, hãng Lumileds đã làm ra loại LED 5 Watt có hiệu suất phát quang 18–22 lm/ watt. Để so sánh, xin nhắc lại là bóng đèn sợi đốt 60–100 watt có hiệu suất 15 lm/watt, còn đèn huỳnh quang đạt 100 lm/watt.
• Tháng 9/ 2003, công ty Cree Inc. trình diễn một loại LED xanh mới, cho phép sản xuất ra đèn phát ánh sáng trắng có hiệu suất 65 lm/W, với dòng điện vào 20 mA. Khi đó nó là đèn dùng LED sáng nhất trên thị trường, và có hiệu suất phát sáng gấp 4 lần loại đèn nóng sáng tiêu chuẩn. Năm 2006, họ lại nâng hiệu suất phát sáng lên 131 lm/W với 20 mA.
• Nichia Corp, hiện đã phát triển được một loại LED ánh sáng trắng có hiệu suất phát sáng 150 lm/W với dòng điện vào 20 mA, còn Seoul Semiconductor  đang có kế hoạch vượt đèn huỳnh quang, vớii các mốc chỉ tiêu 135 lm/W năm 2007 và 145 lm/ W năm 2008..
• Humitsu Corp, đã cho ra đời một loại LED có hiệu suất phát quang tới 177lm/W và đang được cho ứng dụng trong một số sản phẩm và ứng dụng như: tàu biển, nhà máy công nghiệp, sân vận động,…

Ứng dụng rộng dãi

• Đối với những ứng dụng thắp sáng thông dụng hiện nay, cần có những LED công suất lớn (≥ 1 Watt). Dòng điện đỉển hình với loại LED nầy phải từ 350 mA trở lên. LED ánh sáng trắng công suất lớn và hiệu suất cao.

Bảng dự báo chỉ tiêu kỹ thuật mà đèn dùng LED sẽ đạt vào thập kỷ tới

Bảng so sánh mức tiết kiệm chi phí của người tiêu dùng và năng lương của nguồn điện quốc gia khi thay bóng đèn sợi đốt bằng bóng đèn LED.