Trang trí

Kiến thức cơ bản về đèn LED chiếu sáng

09/12/2015 - 03:14 CH

Đèn LED ra đời từ những năm 60 của thế kỷ 20 và đến nay đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội. Vậy LED là gì? Nó có cấu tạo ra sao? Nguyên lý hoạt động như thế nào?... chúng ta sẽ cùng tìm hiểu trong bài viết này.

>> Đèn LED và những tính năng ưu việt

>> Trong tương lai, đèn LED sẽ là cầu nối các thiết bị với Internet

LED LÀ GÌ?

LED (viết tắt của Light Emitting Diode) hay còn gọi là diod phát quang, chiếu sáng nhờ 2 điện cực với chất liệu bán dẫn.

PHÂN LOẠI LED

Căn cứ vào hình thức “đóng gói”, cơ bản được phân ra: SMD led, DIP led, dạng công suất lớn và dạng Piranha.

A. Đóng gói dạng bề mặt (SMD led): SMD led: viết tắt của Surface-mount Device Led là 1 dạng module sử dụng công nghệ SMT(surface-mount technology) để tích hợp trực tiếp các chip led lên bề mặt mạch in (PCB). Đa phần các led dạng SMD sau khi đóng gói đều có kích thước nhỏ, góc chiếu sáng rộng từ 90-160o, độ dày từ 2-10mm.

1. Dạng PCB: 0402, 0603, 0805, 1206...

2. Dạng chân kim loại: 0402, 0603, 0805, 1206, 3mm, 5mm, 6mm, 8mm, 10mm..

3. Dạng chân hình bướm bằng kim loại: 2mm, 3mm...

4. Dạng phát sáng trên bề mặt (TOP LED): 5050 (5.0mmx5.0mm), 3528 (3.5mmx2.8mm), 5630 (5.6mmx3.0mm), 3020 (3.0mmx2.0mm), 2835 (2.8mmx3.5mm)..

5. Dạng phát sáng mặt cạnh, mép: 2810, 335, 1104, 1605, 0905..

B. Đóng gói vuông góc (DIP LED): DIP LED: Viết tắt của Duel In-Line Package là dạng led truyền thống, đèn chỉ thị mà chúng ta thường thấy trong các máy điện tử, biển quảng cáo, bao gồm 2 chân kim loại thẳng được nối tới mạch in (PCB). Bao gồm các led truyền thống 3mm, 5mm, 6mm, 7mm, 8mm, 10mm..góc chiếu sáng từ 4-200o.

C. Đóng gói dạng công suất lớn:

D. Piranha (led Piranha): có dạng đầu phẳng, đầu lồi, lõm, 3mm, 5mm:

• Căn cứ vào công suất đề phân loại: 20mA(0.04-0.06W), 75mA(0.15-0.3W), 300-350mA(0.7-1W).

• Căn cứ vào kích thước tinh thể led: 8mil, 9mil, 10mil, 11mil, 12mil, 14mil, 15mil, 20mil, 24mil, 30mil, 40mil (1W), 45mil (1W, 3W), 60mil (3W), 80mil (5W).

CẤU TẠO CỦA LED: LED chủ yếu được cấu tạo bởi các thành phần dưới đây:

• Chip (hay vi mạch): có tác dụng phát quang, tính năng dẫn điện 1 chiều.

• Giá đỡ: bao gồm đế lót và đế tản nhiệt, nối với chân Led, có tác dụng tản nhiệt, dẫn điện.

• Dây dẫn: tác dụng dẫn điện.

• Lớp bao bọc bằng nhựa tổng hợp: có tác dụng bảo vệ các tinh thể bên trong và ánh sáng có thể xuyên thấu được.

NGUYÊN LÝ PHÁT SÁNG CỦA LED:

Led dựa trên công nghệ bán dẫn, hoạt động của Led giống với nhiều loại bán dẫn khác. 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).

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). Mức năng lượng (và màu sắc của LED)hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc năng lượng của các nguyên tử chất bán dẫn.

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

Led phát ra ánh sáng màu gì? Chủ yếu do chất liệu của liên kết bán dẫn PN quyết định. 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.

Các màu sắc phổ biến của Led

Phổ biến có 3 loại: 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 như thế nào?

Cách 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%, hỗn hợp do 3 màu tạo ra chính là ánh sáng màu trắng mà mắt thường chúng ta thấy được, chỉ cần dòng điện qua các chip màu ổn định, tản nhiệt tốt, màu trắng phát ra sẽ ổn định, chế tạo lại đơn giản, tuy nhiên do sự tiêu hao ánh sáng của 3 màu không giống nhau, bên cạnh tính năng điều khiển dòng điện của driver phải có chất lượng cao, nguyên nhân từ công nghệ sản xuất.v.v.. trước mắt xét về kỹ thuật, chưa đạt được đến phổ màu mong muốn, nên phương pháp này thường không được sử dụng.

Cách 2: Sử dụng bột huỳnh quang (phốt pho)để tạo màu trắng cho ánh sáng, có 3 phương pháp để thực hiện, trong đó phương pháp chủ yếu là phủ lên bề mặt chip màu xanh dương lớp phốt pho NdYAG(màu vàng) để tạo thành màu trắng, trước mắt cách làm chủ yếu là dùng phốt pho YAN phủ lên tinh thể màu xanh dương inGaN có bước sóng 460nm, lớp phốt pho cùng với ánh sáng xanh dương phát ra kết hợp tạo ra ánh sáng vàng có bước sóng 555nm, sau đó ứng dụng nguyên lý thấu kính kết hợp ánh sáng vàng này và ánh sáng xanh dương tạo ra ánh sáng trắng mà mắt thường thấy được, đây là kỹ thuật hiện nay được ứng dụng nhiều nhất để tạo ra ánh sáng màu trắng của led.

Ánh sáng màu của LED được hình thành như thế nào?

Hỗn hợp các màu đơn sắc R/G/B/W được kết hợp với phốt pho, điều khiển các chip đơn sắc ứng với mỗi màu để phát ra ánh sáng, ta thu được các ánh sáng màu mà ta mong muốn.

Các chỉ tiêu quan trọng về chiếu sáng của LED: Nhiệt độ mối nối, quang hiệu, nhiệt độ màu, tuổi thọ

Nhiệt độ mối nối:

Là nhiệt độ trung bình của liên kết PN của chip, tức là nhiệt độ của chip bán dẫn lúc hoạt động, bao gồm nhiệt độ ở mức cho phép của mối nối khi hoạt động của bản thân chip bán dẫn và nhiệt độ thực tế của mối nối chip bán dẫn lúc hoạt động. Kiểm soát nhiệt độ mối nối có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất phát sáng của LED, tuổi thọ các linh kiện, độ tin cậy, bước sóng..v.v…Là vấn đề cốt lõi khi ứng dụng thiết kế thiết bị chiếu sáng và lắp ráp các linh kiện đèn LED.

Quang hiệu của LED:

Quang hiệu thật tế của LED sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ mối nối PN tăng hay giảm, nhiệt độ càng cao thì quang hiệu càng giảm.

Nhiệt độ màu của LED:

Nhiệt độ màu của chip LED sẽ thay đổi (lệch màu hay chạy màu)nếu như nhiệt độ tại mối nối PN thay đổi.

TUỔI THỌ CỦA LED:

Nhiệt độ thực tế lúc hoạt động tại mối nối PN của chip LED càng cao, vượt qua nhiệt độ làm việc lớn nhất của mối nối thì tuổi thọ sẽ giảm xuống rất nhanh.

TẢN NHIỆT CỦA LED:

Giải quyết vấn đề tản nhiệt là nội dung cốt lõi của thiết kế sản phẩm LED chiếu sáng.

Nhiệt trở: Giải quyết vấn đề tản nhiệt là nội dung cốt lõi của thiết kế sản phẩm LED chiếu sáng.

Tản nhiệt của LED: Là tham số phản ánh khả năng truyền dẫn nhiệt của vật liệu, đơn vị oC/w.

Tức là có sự chênh lệch nhiệt độ giữa 2 mặt truyền dẫn của vật thể lúc truyền dẫn nhiệt với công suất 1w, vật liệu không giống nhau, khả năng truyền dẫn nhiệt sẽ khác nhau, mỗi loại vật liệu đều có hệ số dẫn nhiệt riêng, hệ số càng lớn, khả năng dẫn nhiệt càng mạnh. Tổng nhiệt trở của led chính là nhiệt trở kết hợp giữa các lớp bên trong và bên ngoài chip led, bên cạnh mối liên hệ giữa tổng nhiệt trở với hệ số dẫn nhiệt của các lớp, còn ở mức độ kết hợp chặt chẽ giữa các tầng, nếu không chặt chẽ sẽ phát sinh trở kháng trong quá trình dẫn nhiệt.

Diện tích (bề mặt) tản nhiệt: Nhiệt trở đồng thời có mối liên hệ với diện tích tản nhiệt, diện tích tản nhiệt càng lớn, tản nhiệt càng tốt.

VLXD.org (TH)