Để hiểu đèn LED là gì, trước tiên bạn cần hiểu tên gọi thường được chấp nhận của nó, được viết bằng tiếng Anh là LED. Dịch ra, điều này có nghĩa đen là "phát ra các đèn LED nhỏ". Theo quan điểm kỹ thuật, chúng là thiết bị bán dẫn chuyển đổi dòng điện thành bức xạ ánh sáng nhìn thấy được. Sản phẩm đơn giản nhất về hình dáng và thiết kế này khác biệt rõ rệt so với các thiết bị chiếu sáng điển hình: đèn sợi đốt và các loại tương tự.
Lịch sử nguồn gốc
Thiết bị và nguyên tắc hoạt động của bộ phát LED sẽ dễ hiểu hơn nếu bạn tự làm quen với bối cảnh xuất hiện của chúng. Lần đầu tiên sản phẩm phát ra này ra đời vào năm 1962 dưới dạng một diode đơn sắc màu đỏ. Mặc dù có một số thiếu sót, công nghệ sản xuất của nó đã được công nhận là đầy hứa hẹn. Một thập kỷ sau khi hiển thị mẫu màu đỏ, đèn LED màu xanh lá cây và màu vàng đã được giới thiệu đến công chúng. Do độ giật thấp của chúng, các sản phẩm này chủ yếu được sử dụng trong gia đình làm chỉ báo trên mặt trước của các thiết bị điện tử gia dụng.
Theo thời gian, cường độ phát sáng được tăng lên nhiều lần, đến những năm 90 của thế kỷ trước người ta chế tạo được mẫu có quang thông bằng 1 lumen. Năm 1993, kỹ sư người Nhật S. Nakamura đã tạo ra điốt màu xanh lam đầu tiên, được đặc trưng bởi mức độ sáng tăng lên. Kể từ thời điểm đó, các nhà phát triển của họ đã học cách lấy bất kỳ màu nào trong quang phổ khả kiến, bao gồm cả màu trắng.
Nhờ những đặc tính vượt trội của sản phẩm đèn LED mà theo thời gian, chúng đã trở thành đối thủ nặng ký của bóng đèn sợi đốt vốn đã quen thuộc với nhiều người.
Kể từ năm 2005, ngành công nghiệp này đã thành công trong việc sản xuất đèn LED trắng với quang thông lên đến 100 lm và hơn thế nữa. Ngoài ra, họ đã học cách tạo ra các yếu tố chiếu sáng với các sắc độ trắng khác nhau ("ấm", "lạnh" và các ánh sáng khác).
Thiết bị và nguyên tắc hình thành bức xạ
Để hiểu cách thức hoạt động của đèn LED, trước hết, bạn cần tính đến một số điểm liên quan đến thiết kế của nó:
- cơ sở của phần tử LED là một tinh thể bán dẫn chỉ cho dòng điện chạy theo một hướng;
- thiết bị LED cổ điển giả định sự hiện diện của một chất nền cách điện;
- thân thủy tinh của diode bảo vệ tinh thể khỏi các tác động bên ngoài và đồng thời là phần tử tán xạ;
- có hai điểm tiếp xúc ở mặt sau của hộp, nơi đèn LED được cung cấp năng lượng điện.
Để tăng tuổi thọ của thiết bị phát ra, không gian giữa thấu kính khuếch tán và bản thân tinh thể được lấp đầy bằng một hợp chất silicone trong suốt.
Trong cấu trúc của một số đèn LED, một chất nền nhôm đặc biệt được cung cấp, là đế của thiết bị và đồng thời loại bỏ nhiệt dư thừa ra khỏi nó.
Dễ hiểu hơn về cách thức hoạt động của đèn LED bằng cách kiểm tra đường giao nhau bán dẫn, mà các chuyên gia gọi là đường giao nhau lỗ electron. Tên của nó gắn liền với bản chất khác nhau của các chất mang chính trong lớp ranh giới của hai cấu trúc. Trong một chất bán dẫn, có sự dư thừa electron ở ranh giới tiếp xúc, và trong vật liệu lân cận có thừa lỗ trống.Trong quá trình sản xuất tiếp giáp bán dẫn, chúng thâm nhập vào lớp kế cận, tạo thành một rào cản tiềm năng ngăn cản sự phân cực ngược của chúng. Giá trị của điện áp chuyển tiếp trên đèn LED trong quá trình hoạt động của nó phụ thuộc vào chiều rộng của đường giao nhau.
Khi một điện thế của một cực tính nhất định và một giá trị được tạo ra bởi nguồn dòng điện không đổi được đặt vào diode, có thể dịch chuyển điểm nối theo hướng mong muốn. Điều này sẽ dẫn đến sự mở ra của nó và sự xuất hiện của một dòng chảy ngược của các hạt mang điện trái dấu. Khi chúng va chạm, lượng tử năng lượng ánh sáng - photon - được phát ra trong ranh giới của quá trình chuyển đổi. Tùy thuộc vào tốc độ lặp lại của các xung này, bức xạ thu được một màu sắc nhất định.
Yếu tố quyết định màu sắc của đèn LED
Trong sản xuất đèn LED, nhiều loại vật liệu bán dẫn khác nhau được sử dụng, việc lựa chọn loại vật liệu này sẽ quyết định màu sắc mà chúng phát ra.
Khả năng phân biệt màu sắc là một đặc tính bẩm sinh của mắt người, có khả năng ghi lại sự chuyển màu của nó với độ chính xác cao. Nó liên kết chặt chẽ với bước sóng của bức xạ lượng tử mà sóng điện từ có tần số nhất định mang theo chúng. Trong trường hợp này, xung ánh sáng được hình thành ở đường viền tiếp giáp bán dẫn của đèn LED.
Khi nghiên cứu các đặc tính của các chất bán dẫn khác nhau ở giai đoạn đầu của nghiên cứu, các nhà khoa học đã xác định được các vật liệu như gali photphua, cũng như các hợp chất bậc ba AlGaAs và GaAsP. Khi sử dụng chúng, có thể thu được bức xạ màu đỏ và vàng xanh. Ngày nay, để có được các kết hợp màu sắc khác nhau, người ta sử dụng các kết hợp phức tạp hơn giữa nhôm với indium và gallium (AllnGaP) hoặc indium-gallium nitride (InGaN). Các chất bán dẫn này có khả năng chịu dòng điện đáng kể, do đó có thể thu được hiệu suất phát sáng cao từ chúng.
Kỹ thuật pha màu
Các dải diode hiện đại và các cụm mô-đun LED có khả năng tạo ra các sắc thái khác nhau của dải ánh sáng. Giả sử rằng một quá trình chuyển đổi tạo ra bức xạ đơn sắc, cần phải có một thiết bị nhiều chip để tạo ra ánh sáng đa màu. Sản phẩm phức tạp này hoạt động giống như một màn hình máy tính, trên đó có thể thu được hầu hết mọi bóng râm (đối với điều này, một mô-đun RGB đặc biệt được sử dụng).
Lợi dụng nguyên tắc tạo bóng này, người ta có thể thu được ánh sáng trắng, ví dụ, được sử dụng rộng rãi trong đèn pha LED. Để làm điều này, cả ba màu gốc hoặc màu cơ bản đã được trộn với tỷ lệ bằng nhau.
Nó cũng có thể thu được bằng cách kết hợp các cấu trúc điốt của bức xạ tia cực tím hoặc màu xanh lam với một lớp phủ loại phosphor màu vàng.
Đặc điểm của sản xuất đèn LED
Để hiểu đèn LED được tạo ra như thế nào, bạn cần tự làm quen với các đặc điểm cấu trúc về công nghệ được sử dụng trong sản xuất. Do đó, khi xem xét các chi tiết cụ thể của quá trình sản xuất của họ, trước hết, cần tính đến các điểm sau:
- một phương pháp cụ thể để hình thành màu của bức xạ (ma trận hoặc phốt pho);
- Đèn LED được thiết kế cho bao nhiêu vôn và giá trị dòng điện mà chúng chịu được;
- công nghệ nào cho phép bạn có được chất lượng ánh sáng tốt nhất và rẻ hơn.
Sản xuất chip bằng sơ đồ ma trận sẽ khiến nhà sản xuất tốn nhiều chi phí hơn, điều này được đền đáp bằng chất lượng bức xạ cao. Những nhược điểm của phốt pho bao gồm phát ra ánh sáng thấp, cũng như màu bức xạ không hoàn toàn thuần khiết. Ngoài ra, chúng có tuổi thọ làm việc ngắn hơn và dễ bị hỏng hóc hơn.
Trong sản xuất các điốt chỉ thị đơn giản với điện áp trực tiếp 2-4 Volts, quá trình chuyển đổi của chúng được tính toán cho dòng điện nhỏ (lên đến 50 mA). Để tạo ra các thiết bị chiếu sáng chính thức và mạch cầu LED, các thiết bị có tốc độ dòng điện cao (lên đến 1 Ampe) sẽ được yêu cầu. Nếu trong một điốt mô-đun được kết nối thành chuỗi nối tiếp, tổng điện áp tại các điểm giao nhau của chúng đạt 12 hoặc thậm chí 24 vôn.Khi sản xuất sản phẩm, điểm cộng cho mỗi đèn LED được đánh dấu theo cách đặc biệt (một phần nhô ra nhỏ được thực hiện trên chân tương ứng).
Ứng dụng và điều khiển ánh sáng
Do sự thay đổi đa dạng, các sản phẩm LED được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau:
- trong sản xuất đèn tiết kiệm năng lượng được lắp đặt trong một đèn chùm điển hình, ví dụ, hoặc trong một đèn treo tường thông thường;
- để sử dụng làm đèn chiếu sáng trong các đèn lồng thu nhỏ rộng rãi, cũng như trong các cấu trúc lớn hơn như "đèn cắm trại cắm trại";
- nếu cần thiết, chiếu sáng trang trí của cơ sở dưới dạng dải băng dài với các màu sắc khác nhau.
Việc sử dụng chúng là do mức độ chống chịu của thiết bị với các yếu tố khí hậu, được đánh giá bằng cấp bảo vệ của sản phẩm. Tùy thuộc vào thiết kế, chúng chỉ được sử dụng trong nhà hoặc chúng có thể làm việc ở những không gian mở (cụ thể là trang trí cho biển quảng cáo hoặc đèn LED che nắng).
Bạn có thể kiểm soát mức độ sáng của đèn thông thường hoặc đèn chùm theo nhiều cách khác nhau. Đối với điều này, các mạch điện tử đặc biệt thường được sử dụng nhất, cho phép điều chỉnh biên độ và các thông số khác của xung ánh sáng. Để thuận tiện cho việc làm việc với các thiết bị gia dụng, mô-đun như vậy được sản xuất dưới dạng bảng điều khiển tiêu chuẩn.
