Ánh sáng LED mang lại nhiều lợi ích như hiệu suất năng lượng cao, tuổi thọ hoạt động lâu dài, khả năng kỹ thuật quang phổ, khả năng điều khiển kỹ thuật số và độ bền trạng thái rắn. Hướng dẫn này sẽ hướng dẫn bạn những ưu và nhược điểm của công nghệ LED

Thị trường chiếu sáng toàn cầu đã và đang trải qua một sự chuyển đổi căn bản do việc áp dụng công nghệ đi-ốt phát quang (LED) ngày càng tăng. Cuộc cách mạng chiếu sáng trạng thái rắn (SSL) này đã thay đổi về cơ bản tính kinh tế cơ bản của thị trường và động lực của ngành.

 Không chỉ các hình thức năng suất khác nhau được kích hoạt bởi công nghệ SSL, việc chuyển đổi từ các công nghệ thông thường sang chiếu sáng LED cũng đang thay đổi sâu sắc cách mọi người nghĩ về ánh sáng. Các công nghệ chiếu sáng thông thường được thiết kế chủ yếu để giải quyết nhu cầu thị giác. Với ánh sáng LED, sự kích thích tích cực của các hiệu ứng sinh học của ánh sáng đối với sức khỏe và hạnh phúc của con người đang ngày càng được chú ý. Sự ra đời của công nghệ LED cũng mở đường cho sự hội tụ giữa ánh sáng và Internet, mở ra một thế giới hoàn toàn mới về các khả năng. Ban đầu, đã có rất nhiều nhầm lẫn về ánh sáng LED. Tăng trưởng thị trường cao và sự quan tâm lớn của người tiêu dùng tạo ra nhu cầu bức thiết để giải tỏa những nghi ngờ xung quanh công nghệ và thông báo cho công chúng về những ưu điểm và nhược điểm của nó.

Đèn LED hoạt động như thế nào?

Đèn LED là một gói bán dẫn bao gồm một đế LED (chip) và các thành phần khác cung cấp hỗ trợ cơ học, kết nối điện, dẫn nhiệt, điều chỉnh quang học và chuyển đổi bước sóng. Về cơ bản, chip LED là một thiết bị tiếp giáp pn được tạo thành bởi các lớp bán dẫn hợp chất pha tạp đối lập nhau.Chất bán dẫn hợp chất thường được sử dụng là gali nitride (GaN) có độ rộng vùng cấm trực tiếp cho phép xác suất tái hợp bức xạ cao hơn so với chất bán dẫn có vùng cấm gián tiếp.

 Khi tiếp giáp pn phân cực theo chiều thuận, các điện tử từ vùng dẫn của lớp bán dẫn loại n chuyển động qua lớp biên vào tiếp giáp p và tái hợp với các lỗ trống từ vùng hóa trị của lớp bán dẫn loại p trong vùng hoạt động của diode. 

Sự tái kết hợp lỗ trống điện tử làm cho các điện tử rơi vào trạng thái có năng lượng thấp hơn và giải phóng năng lượng dư thừa dưới dạng các photon (gói ánh sáng).Hiệu ứng này được gọi là điện phát quang. Photon có thể vận chuyển bức xạ điện từ của tất cả các bước sóng. Các bước sóng chính xác của ánh sáng phát ra từ diode được xác định bởi vùng cấm năng lượng của chất bán dẫn.

Ánh sáng được tạo ra thông qua điện phát quang trong chip LED có phân bố bước sóng hẹp với băng thông điển hình khoảng vài chục nanomet. Phát xạ dải tần hẹp dẫn đến ánh sáng có một màu duy nhất như đỏ, xanh lam hoặc xanh lục. Để cung cấp nguồn ánh sáng trắng phổ rộng, độ rộng của phân bố công suất phổ (SPD) của chip LED phải được mở rộng. Điện phát quang từ chip LED được chuyển đổi một phần hoặc toàn bộ thông qua quá trình quang phát quang trong phốt pho. Hầu hết các đèn LED trắng kết hợp giữa phát xạ bước sóng ngắn từ chip xanh InGaN và ánh sáng có bước sóng dài hơn được phát lại từ phốt pho. Bột phosphor được phân tán trong ma trận silicon, epoxy hoặc ma trận nhựa khác. Ma trận chứa phosphor được phủ lên chip LED. Ánh sáng trắng cũng có thể được tạo ra bằng cách bơm phốt pho đỏ, xanh lá cây và xanh lam sử dụng chip LED cực tím (UV) hoặc tím. Trong trường hợp này, màu trắng thu được có thể đạt được độ hoàn màu cao hơn. Nhưng phương pháp này có hiệu quả thấp vì sự dịch chuyển bước sóng lớn liên quan đến quá trình chuyển đổi tia UV hoặc ánh sáng tím đi kèm với tổn thất năng lượng Stokes cao.

Ưu điểm của đèn LED chiếu sáng

Việc phát minh ra đèn sợi đốt cách đây hơn một thế kỷ đã cách mạng hóa ánh sáng nhân tạo. Hiện tại, chúng ta đang chứng kiến ​​cuộc cách mạng chiếu sáng kỹ thuật số được kích hoạt bởi SSL.Chiếu sáng dựa trên chất bán dẫn không chỉ mang lại thiết kế, hiệu suất và lợi ích kinh tế chưa từng có, mà còn cho phép nhiều ứng dụng mới và đề xuất giá trị trước đây được cho là không thực tế. Lợi nhuận thu được từ việc thu hoạch những lợi thế này sẽ vượt trội hơn hẳn so với chi phí trả trước tương đối cao của việc lắp đặt một hệ thống đèn LED, điều mà vẫn còn một số do dự trên thị trường.

1. Hiệu quả năng lượng

Một trong những lý do chính cho việc chuyển sang sử dụng đèn LED là hiệu quả năng lượng.Trong thập kỷ qua, hiệu suất phát sáng của các gói đèn LED trắng chuyển đổi phosphor đã tăng từ 85 lm / W lên hơn 200 lm / W, thể hiện hiệu suất chuyển đổi điện sang quang (PCE) trên 60%, ở dòng hoạt động tiêu chuẩn khối lượng riêng 35 A / cm2. Bất chấp những cải tiến về hiệu quả của đèn LED xanh dương InGaN, phốt pho (hiệu suất và bước sóng phù hợp với phản ứng của mắt người) và gói (tán xạ / hấp thụ quang học), Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) nói rằng vẫn còn nhiều khoảng trống hơn cho PC-LED Các cải tiến về hiệu quả và hiệu suất phát sáng khoảng 255 lm / W thực tế có thể thực hiện được đối với đèn LED máy bơm màu xanh lam. Hiệu suất phát sáng cao chắc chắn là lợi thế vượt trội của đèn LED so với các nguồn sáng truyền thống — sợi đốt (lên đến 20 lm / W), halogen (lên đến 22 lm / W), huỳnh quang tuyến tính (65-104 lm / W), huỳnh quang compact (46 -87 lm / W), huỳnh quang cảm ứng (70-90 lm / W), hơi thủy ngân (60-60 lm / W), natri áp suất cao (70-140 lm / W), halogen kim loại thạch anh (64-110 lm / W), và halogenua kim loại gốm (80-120 lm / W).

2. Hiệu quả phân phối quang học

Ngoài những cải tiến đáng kể về hiệu quả nguồn sáng, khả năng đạt được hiệu suất quang học cao của đèn chiếu sáng bằng đèn LED ít được người tiêu dùng nói chung biết đến nhưng lại được các nhà thiết kế chiếu sáng mong muốn cao. Việc phân phối hiệu quả ánh sáng do các nguồn sáng phát ra đến mục tiêu đã là một thách thức thiết kế lớn trong ngành. Đèn hình bóng đèn truyền thống phát ra ánh sáng theo mọi hướng. Điều này làm cho phần lớn quang thông do bóng đèn tạo ra bị mắc kẹt trong đèn điện (ví dụ: bởi bộ phản xạ, bộ khuếch tán) hoặc thoát ra khỏi đèn điện theo hướng không hữu ích cho ứng dụng dự định hoặc đơn giản là gây khó chịu cho mắt. Đèn điện HID như halogen kim loại và natri áp suất cao nói chung có hiệu quả khoảng 60% đến 85% trong việc hướng ánh sáng do đèn tạo ra ra khỏi đèn. Không có gì lạ khi các đèn chiếu sáng âm trần và đèn pha sử dụng nguồn sáng huỳnh quang hoặc halogen bị tổn thất quang học 40-50%.Bản chất định hướng của ánh sáng LED cho phép phân phối ánh sáng hiệu quả và hệ số hình thức nhỏ gọn của đèn LED cho phép điều chỉnh quang thông hiệu quả bằng cách sử dụng thấu kính hợp chất. Hệ thống chiếu sáng LED được thiết kế tốt có thể mang lại hiệu suất quang học lớn hơn 90%.

3. Độ đồng đều ánh sáng

Chiếu sáng đồng đều là một trong những ưu tiên hàng đầu trong thiết kế chiếu sáng xung quanh trong nhà và ngoài trời / đường đi. Tính đồng nhất là thước đo các mối quan hệ của độ rọi trên một khu vực. Ánh sáng tốt phải đảm bảo sự phân bố đồng đều của lumen sự cố trên bề mặt hoặc khu vực làm việc. Sự khác biệt quá mức về độ chói do sự chiếu sáng không đồng đều có thể dẫn đến mệt mỏi thị giác, ảnh hưởng đến hiệu suất tác vụ và thậm chí gây lo ngại về an toàn do mắt cần thích ứng giữa các bề mặt có độ chói khác biệt. Việc chuyển đổi từ khu vực được chiếu sáng rực rỡ sang một nơi có độ sáng rất khác sẽ gây mất thị lực chuyển tiếp, điều này có ý nghĩa an toàn lớn trong các ứng dụng ngoài trời nơi có xe cộ tham gia. Trong các cơ sở lớn trong nhà, độ chiếu sáng đồng đều góp phần tạo nên sự thoải mái cho thị giác, cho phép linh hoạt các vị trí nhiệm vụ và loại bỏ nhu cầu di dời đèn chiếu sáng. Điều này có thể đặc biệt có lợi trong các cơ sở công nghiệp và thương mại ở vịnh cao, nơi có chi phí đáng kể và sự bất tiện liên quan đến việc di chuyển đèn điện.Bộ đèn sử dụng đèn HID có độ rọi ngay bên dưới bộ đèn cao hơn nhiều so với các khu vực xa bộ đèn. Điều này dẫn đến độ đồng đều kém (tỷ lệ tối đa / tối thiểu điển hình 6: 1). Các nhà thiết kế chiếu sáng phải tăng mật độ cố định để đảm bảo độ đồng đều về độ rọi đáp ứng yêu cầu thiết kế tối thiểu. Ngược lại, bề mặt phát sáng lớn (LES) được tạo ra từ một dãy đèn LED kích thước nhỏ tạo ra sự phân bố ánh sáng có độ đồng đều với tỷ lệ tối đa / phút nhỏ hơn 3: 1,

4. Chiếu sáng định hướng

Do dạng phát xạ định hướng và mật độ thông lượng cao, đèn LED vốn dĩ phù hợp với chiếu sáng định hướng. Đèn điện định hướng tập trung ánh sáng do nguồn sáng phát ra thành chùm có hướng truyền không gián đoạn từ đèn điện đến khu vực mục tiêu. Các chùm ánh sáng tập trung hẹp được sử dụng để tạo ra một thứ bậc về tầm quan trọng thông qua việc sử dụng độ tương phản, để làm cho các tính năng chọn lọc bật ra khỏi nền và thêm sự quan tâm và hấp dẫn cảm xúc cho một đối tượng. Đèn định hướng, bao gồm đèn chiếu điểm và đèn pha, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng chiếu sáng điểm nhấn để nâng cao sự nổi bật hoặc làm nổi bật một yếu tố thiết kế. Chiếu sáng định hướng cũng được sử dụng trong các ứng dụng cần chùm sáng cường độ cao để giúp hoàn thành các nhiệm vụ hình ảnh khắt khe hoặc cung cấp khả năng chiếu sáng tầm xa.đèn rọi , điểm theo dõi, đèn lái xe , đèn pha sân thể thao , v.v. Một bộ đèn LED có thể tạo ra đủ sức mạnh cho sản lượng ánh sáng của nó, cho dù tạo ra một chùm sáng "cứng" được xác định rất rõ ràng cho kịch tính cao với đèn LED COB hay để phát ra một chùm sáng dài xa xa với đèn LED công suất cao .

5. Kỹ thuật quang phổ

Công nghệ LED cung cấp khả năng mới để kiểm soát sự phân bố công suất quang phổ (SPD) của nguồn sáng, có nghĩa là thành phần ánh sáng có thể được điều chỉnh cho các ứng dụng khác nhau. Khả năng kiểm soát quang phổ cho phép quang phổ từ các sản phẩm chiếu sáng được thiết kế để thu hút các phản ứng thị giác, sinh lý, tâm lý, cơ quan thụ cảm quang thực vật cụ thể của con người hoặc thậm chí là máy dò bán dẫn (tức là camera HD) hoặc kết hợp các phản ứng như vậy.Hiệu quả quang phổ cao có thể đạt được thông qua việc tối đa hóa các bước sóng mong muốn và loại bỏ hoặc giảm thiểu các phần quang phổ gây hại hoặc không cần thiết cho một ứng dụng nhất định. Trong các ứng dụng ánh sáng trắng, SPD của đèn LED có thể được tối ưu hóa cho độ trung thực màu theo quy định và nhiệt độ màu tương ứng (CCT). Với thiết kế đa kênh, đa bộ phát, màu sắc do đèn LED tạo ra có thể được điều khiển chủ động và chính xác. Hệ thống pha trộn màu RGB, RGBA hoặc RGBW có khả năng tạo ra phổ ánh sáng đầy đủ tạo ra khả năng thẩm mỹ vô hạn cho các nhà thiết kế và kiến ​​trúc sư. Hệ thống trắng động sử dụng nhiều đèn LED CCT để cung cấp độ mờ ấm áp bắt chước đặc điểm màu sắc của đèn sợi đốt khi bị mờ hoặc để cung cấp ánh sáng trắng có thể điều chỉnh được cho phép kiểm soát độc lập cả nhiệt độ màu và cường độ ánh sáng. Ánh sáng lấy con người làm trung tâm dựa trên công nghệ đèn LED trắng có thể điều chỉnh được là một trong những điểm mấu chốt đằng sau nhiều phát triển công nghệ chiếu sáng mới nhất.

6. Bật / tắt chuyển đổi

Đèn LED phát sáng ở độ sáng đầy đủ gần như ngay lập tức (tính bằng một chữ số đến hàng chục nano giây) và có thời gian tắt tính bằng hàng chục nano giây. Ngược lại, thời gian khởi động hoặc thời gian bóng đèn cần để đạt được toàn bộ ánh sáng, của đèn huỳnh quang compact có thể kéo dài đến 3 phút. Đèn HID yêu cầu thời gian khởi động trong vài phút trước khi cung cấp ánh sáng sử dụng được. Khởi động lại nóng là mối quan tâm lớn hơn nhiều so với khởi động ban đầu đối với đèn metal halide từng là công nghệ chính được sử dụng cho chiếu sáng vịnh cao và đèn chiếu sáng nhà xưởng trong các cơ sở công nghiệp, sân vận động và đấu trường. V

7. Độ bền

Đèn LED phát ra ánh sáng từ một khối bán dẫn — chứ không phải từ bóng đèn hoặc ống thủy tinh, như trường hợp của đèn sợi đốt, halogen, huỳnh quang và HID cũ sử dụng dây tóc hoặc khí để tạo ra ánh sáng. Các thiết bị trạng thái rắn thường được gắn trên bảng mạch in lõi kim loại (MCPCB), với kết nối thường được cung cấp bởi các dây dẫn hàn. Không có thủy tinh dễ vỡ, không có bộ phận chuyển động và không bị đứt dây tóc, hệ thống chiếu sáng LED do đó có khả năng chống sốc, rung và mài mòn cực kỳ hiệu quả. Độ bền trạng thái rắn của hệ thống chiếu sáng LED có giá trị rõ ràng trong nhiều ứng dụng. Trong một cơ sở công nghiệp, có những vị trí mà đèn chịu rung động quá mức từ máy móc lớn. Các đèn chiếu sáng được lắp đặt dọc theo đường và đường hầm phải chịu rung động lặp đi lặp lại do các phương tiện hạng nặng chạy qua với tốc độ cao. Độ rung tạo nên ngày làm việc điển hình của đèn chiếu sáng công việc gắn trên các phương tiện, máy móc, thiết bị xây dựng, khai thác mỏ và nông nghiệp. Các loại đèn di động như đèn pin và đèn lồng cắm trại thường chịu tác động của các giọt nước. Cũng có nhiều ứng dụng mà đèn bị hỏng gây nguy hiểm cho người cư ngụ. Tất cả những thách thức này đòi hỏi một giải pháp chiếu sáng chắc chắn, đó chính là những gì mà hệ thống chiếu sáng trạng thái rắn có thể cung cấp. Cũng có nhiều ứng dụng mà đèn bị hỏng gây nguy hiểm cho người cư ngụ. Tất cả những thách thức này đòi hỏi một giải pháp chiếu sáng chắc chắn, đó chính là những gì mà hệ thống chiếu sáng trạng thái rắn có thể cung cấp. Cũng có nhiều ứng dụng mà đèn bị hỏng gây nguy hiểm cho người cư ngụ. Tất cả những thách thức này đòi hỏi một giải pháp chiếu sáng chắc chắn, đó chính là những gì mà hệ thống chiếu sáng trạng thái rắn có thể cung cấp.

8. Tuổi thọ sản phẩm

Tuổi thọ cao nổi bật là một trong những ưu điểm hàng đầu của đèn LED, nhưng tuyên bố về tuổi thọ cao hoàn toàn dựa trên số liệu tuổi thọ của gói LED (nguồn sáng) có thể gây hiểu lầm. Tuổi thọ hữu ích của gói đèn LED, đèn LED hoặc bộ đèn LED (thiết bị chiếu sáng) thường được coi là thời điểm mà sản lượng quang thông giảm xuống 70% so với sản lượng ban đầu, hoặc L70. Thông thường, đèn LED (gói LED) có tuổi thọ L70 từ 30.000 đến 100.000 giờ (ở Ta = 85 ° C). Tuy nhiên, các phép đo LM-80 được sử dụng để dự đoán tuổi thọ L70 của các gói LED sử dụng phương pháp TM-21 được thực hiện với các gói LED hoạt động liên tục trong các điều kiện vận hành được kiểm soát tốt (ví dụ như trong môi trường được kiểm soát nhiệt độ và được cung cấp DC không đổi ổ đĩa hiện tại). Ngược lại, Hệ thống đèn LED trong các ứng dụng thế giới thực thường gặp thách thức với áp suất điện cao hơn, nhiệt độ tiếp giáp cao hơn và điều kiện môi trường khắc nghiệt hơn. Hệ thống đèn LED có thể gặp tình trạng duy trì quang thông nhanh hoặc hỏng hóc hoàn toàn sớm.Nói chung, đèn LED có tuổi thọ L70 từ 10.000 đến 25.000 giờ, bộ đèn LED tích hợp (ví dụ như đèn chiếu sáng cao, đèn đường, đèn chiếu sáng) có tuổi thọ từ 30.000 giờ đến 60.000 giờ. So với các sản phẩm chiếu sáng truyền thống — sợi đốt (750-2.000 giờ), halogen (3.000-4.000 giờ), huỳnh quang compact (8.000-10.000 giờ) và metal halide (7.500-25.000 giờ), hệ thống đèn LED, đặc biệt là bộ đèn tích hợp, cung cấp tuổi thọ dài hơn đáng kể. Vì đèn LED hầu như không yêu cầu bảo trì, chi phí bảo trì giảm cùng với việc tiết kiệm năng lượng cao từ việc sử dụng đèn LED trong suốt thời gian sử dụng kéo dài của chúng tạo nền tảng cho lợi tức đầu tư (ROI) cao.