Công nghệ Đèn LED

Đèn LED, thường được chế tạo bởi các dãy môđun LED gắn trên bề mặt (môđun SMD), thay thế đèn sợi đốt có công suất từ 5 đến 200 watt.

Một sự khác biệt đáng kể của đèn LED so với các nguồn sáng khác ánh sáng phát ra có hướng, tức là, ánh sáng từ đèn LED phát ra dưới dạng chùm tia hẹp hơn.

Đèn LED ánh sáng trắng

Một bóng đèn LED dùng trong nhiếp ảnh

Hệ thống chiếu sáng thông dụng yêu cầu ánh sáng trắng, mô phỏng bức xạ vật thể đen ở nhiệt độ xác định, từ "trắng ấm" (như bóng đèn sợi đốt) có nhiệt độ màu 2700K, đến "ánh sáng ban ngày" khoảng 6000K. Các đèn LED đầu tiên phát ra ánh sáng trong dải bước sóng rất hẹp, có màu đặc trưng cho dải tần năng lượng của vật liệu bán dẫn được sử dụng để làm đèn LED. Có hai phương pháp chính để sản xuất đèn LED phát ra ánh sáng trắng: kết hợp ánh sáng từ nhiều bóng đèn LED với nhiều màu sắc khác nhau hoặc sử dụng lớp phủ phosphor để biến đổi ánh sáng thành các màu khác nhau. Ánh sáng từ đèn LED không giống như một vật đen thực, do vậy tạo ra màu sắc khác với bóng đèn sợi đốt. Tính chất hoàn màu được xác định bởi chỉ số hoàn màu (CRI). Tính đến năm 2019, đa số các bóng đèn LED có chỉ số hoàn màu là 80, còn đối với các bóng đèn LED đắt tiền hơn có CRI đến 95 (100 là giá trị lý tưởng tối đa).

Phương pháp thứ nhất để tạo ra đèn LED ánh sáng trắng là việc kết hợp ánh sáng từ nhiều bóng đèn LED với nhiều màu sắc khác nhau. Đèn LED ba màu, hay còn gọi đèn LED RGB (Red–Green–Blue), sử dụng nhiều chip LED phát ra các bước sóng màu đỏ, xanh lục và xanh lam. Ba màu này kết hợp với nhau tạo ra ánh sáng trắng. Chỉ số hoàn màu (CRI) của loại đèn LED này kém, thường là 25–65, do dải bước sóng phát ra hẹp.[26] Có thể tăng giá trị CRI cao hơn bằng cách sử dụng nhiều hơn ba màu cơ bản này để bao phủ một dải bước sóng lớn hơn.

Phương pháp cơ bản thứ hai là việc sử dụng chip LED kết hợp với lớp phủ phosphor để tạo ra các màu bổ sung từ một đèn LED duy nhất. Một số ánh sáng từ đèn LED bị hấp thụ bởi các phân tử của phosphor có khả năng huỳnh quang, phát ra ánh sáng có màu khác thông qua sự dịch chuyển Stokes. Phương pháp phổ biến nhất là kết hợp đèn LED màu xanh lam với lớp photpho màu vàng, tạo ra dải bước sóng màu xanh lam hẹp và dải bước sóng "màu vàng" rộng có thể bao phủ quang phổ từ màu xanh lá cây đến màu đỏ. Giá trị CRI có thể dao động từ dưới 70 đến hơn 90, mặc dù nhiều loại đèn LED thương mại thuộc loại này có chỉ số hoàn màu khoảng 82.[26] Loại đèn này được nghiên cứu để liên tục tăng hiệu suất, với sản phẩm ở quy mô sản xuất đạt 150 lm/W vào năm 2017, do vậy loại này đã vượt qua hiệu suất của đèn LED ba màu.

Phosphor được dùng trong đèn LED ánh sáng trắng có thể tạo ra nhiệt độ màu tương ứng trong khoảng 2.200 K (tương đương với đèn sợi đốt mờ) đến 7.000 K hoặc hơn.[27]

Đèn LED đổi màu

Hệ thống chiếu sáng có thể tùy chỉnh màu sắc sử dụng những dãy đèn LED nhiều màu có thể được điều khiển riêng, hoặc sử dụng các dãy đèn LED riêng biệt của từng màu hoặc đèn LED nhiều chip với các màu được kết hợp và điều khiển ở cấp độ chip.[28] Ví dụ, các đèn LED trắng có nhiệt độ màu khác nhau có thể được kết hợp để tạo thành một bóng đèn LED có thể giảm nhiệt độ màu của nó khi giảm độ sáng.[29]

Bộ điều khiển LED

Xem thêm: Bộ điều khiển LED

Chip LED hoạt động với nguồn điện một chiều có điện áp ổn định. Do vậy, đèn LED cần có một mạch điện thích hợp gọi là bộ điều khiển LED, hay còn gọi là 'bộ chuyển nguồn LED' (LED driver), có nhiệm vụ chuyển đổi dòng điện xoay chiều từ mạng điện chính thành dòng điện một chiều có điện áp không đổi.

Bộ điều khiển LED là bộ phận quan trọng của bóng đèn LED hoặc bộ đèn điện LED. Một bộ điều khiển LED tốt có thể đảm bảo tuổi thọ lâu dài cho hệ thống đèn LED, đồng thời cung cấp các tính năng bổ sung như điều khiển và thay đổi độ sáng cho đèn. Nếu bộ điều khiển LED được thiết kế hoặc sử dụng không phù hợp, có thể làm giảm tuổi thọ của đèn LED (thậm chí có thể gây hỏng bóng đèn LED gần như tức thì) hoặc khiến đèn LED nhấp nháy và có những hiện tượng lạ khác. Bộ điều khiển LED có thể được đặt bên trong bóng đèn hoặc bộ đèn, được gọi là loại tích hợp (integral), hoặc ở bên ngoài đèn, được gọi là loại độc lập (hoặc loại điều khiển từ xa). Tùy thuộc vào ứng dụng khác nhau sẽ cần sử dụng những loại bộ điều khiển LED khác nhau. Ví dụ, bộ điều khiển LED ngoài trời cho đèn đường, bộ điều khiển LED cục bộ sử dụng trong nhà cho đèn chiếu sáng và bộ điều khiển LED tuyến tính trong nhà cho đèn bảng (đèn hộp), v.v.

Nhiều nghiên cứu đã phân tích các chỉ số chất lượng điện tương ứng với công suất chiếu sáng, với các giá trị điện áp và dạng sóng khác nhau. Việc kiểm tra giới hạn sóng hài (harmonic limit check) được thực hiện tương ứng với thiết bị chiếu sáng loại C, các yêu cầu của tiêu chuẩn IEC 61000-3-2 được đánh giá cho các cách thiết lập bộ điều khiển LED khác nhau.

Kiểm soát nhiệt độ

So với các hệ thống chiếu sáng khác, đèn LED phải được giữ mát bởi vì nhiệt độ cao có thể giảm tuổi thọ và công suất ánh sáng. Đèn LED khi hoạt động thường "mát" (ít tỏa nhiệt) hơn so với các loại đèn thế hệ trước vì không có hồ quang điện hoặc dây tóc vonfram, nhưng chúng vẫn có thể gây bỏng. Do vậy, người ta cần quan tâm đến việc kiểm soát nhiệt độ của đèn LED công suất cao, nhằm giữ cho nhiệt độ ở những mối nối điện của thiết bị LED gần với nhiệt độ môi trường xung quanh, vì nhiệt độ tăng sẽ làm tăng cường độ dòng điện, gây nóng hơn, dẫn đến càng tăng cường độ hơn... cứ tiếp tục cho đến khi đèn LED bị hư hỏng.

Với cùng công suất chiếu sáng, đèn LED thường tiêu thụ ít điện năng hơn, nhưng chúng cũng đồng thời tạo ra một lượng nhiệt tập trung ở một khuôn bán dẫn rất nhỏ, do vậy chúng vẫn cần được làm mát. Bóng đèn LED thường có cấu tạo gồm các bộ phận tản nhiệt như tấm tản nhiệt và cánh tản nhiệt làm bằng nhôm hoặc nhựa với các hạt than chì.[30] Đối với những loại đèn LED công suất rất cao dùng trong công nghiệp thường được trang bị thêm quạt làm mát.[31]

Trong một số trường hợp, người ta đặt đèn LED và tất cả các mạch điện trong bóng thủy tinh giống như bóng đèn sợi đốt thông thường, nhưng có nạp khí heli để dẫn nhiệt và do vậy giúp làm mát đèn LED. Một số trường hợp khác, người ta đặt đèn LED trên bảng mạch có mặt sau bằng nhôm.[32] Mặt bảng mạch nhôm này được kết nối truyền nhiệt với đế nhôm của đèn bằng cách sử dụng keo tản nhiệt, và phần đế được nhúng trong một lớp vỏ nhựa melamine.

Sụt giảm hiệu suất

Hiện tượng "sụt giảm hiệu suất" (efficiency droop) là hiện tượng hiệu suất chiếu sáng của đèn LED giảm khi cường độ dòng điện tăng trên hàng chục miliampe (mA). Thay vì tăng mức dòng điện, độ sáng của đèn thường được tăng lên bằng cách kết hợp nhiều bóng đèn LED trong một bộ đèn. Giải quyết vấn đề giảm hiệu suất giúp giảm số lượng đèn LED trong các bộ đèn LED gia dụng, điều này sẽ giảm đáng kể chi phí.

Ngoài việc kém hiệu quả hơn, đèn LED hoạt động ở cường độ dòng điện cao hơn tạo ra nhiệt độ cao làm ảnh hưởng đến tuổi thọ của đèn LED. Do cường độ dòng điện cao làm tăng nhiệt độ, đèn LED độ sáng cao có tiêu chuẩn công nghiệp hoạt động ở cường độ 350 mA, giúp cân bằng giữa công suất ánh sáng, hiệu quả và tuổi thọ đèn LED.[33][34][35][36]

Ban đầu, người ta nghi ngờ rằng nhiệt độ tăng cao sẽ gây ra hiện tượng giảm hiệu suất của đèn LED. Các nhà khoa học đã chứng minh điều ngược lại – rằng mặc dù nhiệt độ cao có thể làm giảm tuổi thọ của đèn LED, nhưng lại cải thiện hiệu suất của đèn LED.[37] Cơ chế gây ra sự sụt giảm hiệu suất được xác định vào năm 2007 là do sự tái tổ hợp Auger (tái hợp hạt mang), được thực hiện với phản ứng hỗn hợp.[36] Một nghiên cứu năm 2013 đã khẳng định sự tái tổ hợp Auger là nguyên nhân khiến hiệu quả giảm xuống.[38]