CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LED 1.1 GIỚI THIỆU VỀ LED: 1.1 Sơ lược về các nguồn sáng: Từ xa xưa, người tiền sử sử dụng những nguồn sáng thô sơ để chiếu sáng hang động của mình. Những nguồn đó làm từ những vật liệu sẵn có như đá, vỏ cây, sừng thú vật chứa mỡ và ngọn bấc. Thông thường sử dụng mỡ động và thực vật. Trong nền văn minh cổ đại của Babylon và Ai cập ánh sáng là xa xỉ.
Những đêm huyền thoại Ả rập khác xa với những đêm đô thị rực rỡ hôm nay. Cung điện của những kẻ giầu có chỉ được chiếu sáng bằng những ngọn đèn dầu bập bùng. Chúng thường có dạng giống cái bát có miệng hoặc vòi chứa bấc đèn. Mỡ động vật, dầu cá hoặc dầu thực vật ( dầu cọ hoặc Ô liu) chính là nhiên liệu.
Năm 1809, Humphrey Davy lần đầu tiên biểu diễn đèn hồ quang carbon tại Viện Hoàng Gia ở London. Năm 1877, những ngọn đèn hồ quang được treo bên ngoài nhà vũ kịch Pari. Chúng giống như những ngọn nến, bên trong có hai thanh carbon đồng trục phát sáng khi được tách nhau. Đèn hồ quang xuất hiện đúng vào thời điểm lịch sử khi mà điện đã thoát khỏi phòng thí nghiệm đi vào cuộc sống thường ngày.
Đó là thời gian của các xe ngựa treo đèn hơi đốt và cuộc nội chiến ở Mỹ vừa mới trải qua được hơn mười năm. Đối với nhiều người, đèn hồ quang là một thiết bị điện đầu tiên mà họ nhìn thấy. Đến thế kỉ 19 người ta bắt đầu nhận thấy ưu điểm khi thắp sáng bằng điện. Cho đến nay người ta vẫn chưa biết chính xác ai là người đầu tiên chế tạo ra chiếc đèn điện đầu tiên.
Tuy nhiên để đi đến chiếc bóng đèn hoàn thiện như ngày nay chắc chắn phải có sự cống hiến của nhiều nhà khoa học, trong đó người có công lớn nhất là người đăng kí bản quyền phát minh đầu tiên về bóng đèn dây tóc vào năm 1878 là Thomas Edison – một nhà phát minh người Mỹ. Theo đó thời đại ánh sáng điện bắt đầu từ đèn sơi đốt của Thomas Edison (1837-1931) chế tạo vào năm 1878 từ sợi các bon, hiệu quả ánh sáng 2 lm/W, tuổi thọ 600 giờ. Năm 1908 nhà khoa học Đức Ernt Werner Siemens (1816-1902) đã sử 10 dụng sợi đốt vonfram-nicken kéo dài tuổi thọ của đèn sợi đốt. Các đèn sợi đốt hiện đại trong môi trường halogen có chỉ số thể hiện màu xấp xỉ 100, cho ánh sáng ấm và đạt hiệu quả 20 lm/W.
Hồ quang thủy ngân được phát hiện từ năm 1901 nhưng 30 năm sau mới được ứng dụng trong thực tế. Từ năm 1960 các đèn phóng điện thủy ngân mới được ứng dụng trong chiếu sáng công cộng, chúng có thể chuyển hóa 20% điện năng thành quang năng và là nguồn sáng lạnh. Hiện tượng ion hoá phát sáng trong chất khí được nhà khoa học Anh Edward Townsend (1868-1957) phát hiện đã được ứng dụng để chế tạo các loại đèn phóng điện. Đèn hơi Natri (Sodium) áp suất thấp do Van Voorhir chế tạo từ năm 1923 cho ánh sáng đơn sắc màu vàng, chúng có thể chuyển hóa 80% điện năng thành quang năng, vì vậy có hiệu quả ánh sáng rất cao, đạt tới 200 lm/W, nhưng hệ số thể hiện màu rất thấp, gần bằng không.
Đèn Sodium áp suất cao có thể chuyển hóa 50% điện năng thành quang năng, cho ánh sáng gần với màu trắng hơn, hiệu quả ánh sáng đạt tới 120 lm/W, chủ yếu dùng cho chiếu sáng công cộng. Năm 1933 các đèn ống huỳnh quang đầu tiên đã được bán ra thị trường và ngày nay đã trở thành nguồn sáng chủ yếu, được sử dụng rộng rãi để chiếu sáng trong nhà. Các đèn huỳnh quang thế hệ mới có hiệu quả ánh sáng tới 80 lm/W, chỉ số thể hiện màu 70-85. Các đèn halogen kim loại (Metal halide) do công ty General Electric chế tạo từ những năm 1960, có hiệu suất sáng không lớn hơn đèn Sodium áp suất cao, nhưng có ánh sáng trắng hơn và được ứng dụng rộng rãi trong chiếu sáng công cộng, chúng có thể được chế tạo với công suất lớn cỡ 2 kW, hiệu quả sáng đạt tới 95 lm/W, thích hợp cho chiếu sáng các công trình văn hóa, thể thao.
Trong thập niên đầu của thế kỷ 21 đèn LED (Light Emitting Diode – Điôt phát quang) có sự phát triển vượt bậc. LED dựa trên công nghệ bán dẫn. Hiện tại LED cho ánh sáng trắng có tuổi thọ tới 50 nghìn giờ sử dụng, gấp 50 lần so với bóng đèn 60 W thông thường. LED sẽ thay thế dần đèn sợi đốt và đèn huỳnh quang bởi những ưu điểm như tiết kiệm năng lượng tiêu thụ từ 70 đến 80% so với loại đèn 11 thông thường; tuổi thọ cao (nếu dùng LED mười giờ mỗi ngày thì 23 năm sau mới phải thay bóng); kích cỡ nhỏ; nhiệt năng sinh ra trong quá trình hoạt động không đáng kể; hoạt động tốt trong điều kiện nhiệt độ thấp; sử dụng dòng điện một chiều với hiệu điện thế nhỏ; không gây ô nhiễm môi trường vì không sinh ra tia cực tím, không có thủy ngân.
Đèn dây tóc - 1880 Đèn phóng điện - 1934 Đèn phát sáng bán dẫn LED - 1960 Có khoảng trên 6000 loại đèn khác nhau và được phân chia thành 3 nhóm chính: + Đèn dây tóc: Đây là nguồn sáng đơn giản, sử dụng thuận tiện, có hệ số thể hiện màu rất cao CRI = 100. Tuy nhiên hiệu quả năng lượng thấp, tuổi thọ thấp nên có xu hướng bị loại bỏ + Đèn phóng điện: Đây là các đèn được sử dụng rộng rãi trong chiếu sáng nội thất và ngoại thất hiện nay. + Đèn LED: Nguồn sáng bán dẫn.2 Cấu tạo đèn Led: LED (viết tắt của Light Emitting Diode, có nghĩa là điốt phát quang) là các điốt có khả năng phát ra ánh sáng. Cũng giống như điốt, LED được cấu tạo từ một 12 khối bán dẫn loại p ghép với một khối bán dẫn loại n.1: Cấu tạo của LED LED ra đời từ những năm 60 của thế kỷ trước, được ứng dụng để hiển thị thời gian của đồng hồ báo thức hay dung lượng nguồn của thiết bị điện tử thông qua ánh sáng đỏ, xanh lá cây, vàng mà chưa có mầu trắng.
Năm 1993, Công ty Hóa chất Nichia của Nhật Bản đã nghiên cứu hoàn chỉnh công nghệ chế tạo loại LED cho ánh sáng trắng. Kết quả nghiên cứu nói trên đã mở ra cơ hội mới để ứng dụng đèn LED vào cuộc sống. Led trong giai đoạn phát triển bùng nổ trong phòng thí nghiệm và công nghiệp tạo nên cách mạng trong kỹ thuật chiếu sáng, làm thay đổi hẳn bộ mặt kỹ thuật chiếu sáng.3 Hoạt động của LED: Phần chủ yếu của chip Led là tinh thể bán dẫn InGaN tạo nên chuyển tiếp p- n, được đóng gói với chân nối và thấu kính như hình 1. Khối bán dẫn loại p chứa nhiều 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 khuếch 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). 13 Điện tử Lỗ trống Hình 1.2: Nguyên lý làm việc của LED 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 hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hòa. Năng lượng do sự tái hợp giữa điện tử và lỗ trống phát sinh photon dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó).
Khi đặt vào điện trường chúng chuyển động và tái hợp trong vùng chuyển tiếp còn gọi là vùng nghèo. Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng tùy theo mức năng lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng phát ra 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.4 Phân loại LED.1 LED driver ( LED tín hiệu, LED quảng cáo) Hình 1.3: Một số loại LED đơn sắc + Công suất nhỏ: khoảng vài mW 14 + Dòng nuôi thấp: từ vài đến vài chục mA + Điện áp nuôi: 2,5 đến 3,5 V + Phát ánh sáng đơn sắc ( xanh đỏ, tìm vàng…tùy theo chất bán dẫn dùng làm LED) + Được dùng trong chiếu sáng quảng cáo, tín hiệu + Hiệu suất sáng thấp: 20- 30lm/W Phổ của một vài loại LED đơn sắc: Hình 1.4: Phổ đơn sắc của LED xanh Hình 1.5: Phổ đơn sắc của LED đỏ 15 Hình 1.6: Phổ đơn sắc của LED lam 1. LED siêu sáng ( High Bright LED, White LED ) Hình 1.7: Một số loại LED trắng + Công suất lớn (LED công suất): từ vài trăm mW đến 1 W, thậm chí hàng chục W + Dòng nuôi lớn: 350 mA + Điện áp nuôi: 3,0 đến 3,5 V + Phát ánh sáng trắng, nhiệt độ màu từ 3000K đến 10.000K + Được dùng trong các loại hình chiếu sáng + Hiệu suất sáng cao: 80 – 100lm/W, thậm chí đã có LED có hiệu suất 130lm/W Phổ của LED trắng: 16 Hình 1.8: Phổ của LED trắng 1.2 SO SÁNH ĐÈN LED VỚI CÁC LOẠI ĐÈN KHÁC: Ánh sáng phát của đèn LED có màu sắc phụ thuộc vào chất liệu làm ra nó.
Ví dụ như đèn LED màu đỏ được làm từ các thành phần hóa học như nhôm, gali, a- xen. Đèn LED màu trắng được tạo ra bằng cách bao phủ một lớp photphorơ màu vàng bên ngoài đèn LED xanh da trời. Một bóng đèn LED công suất lớn có thể sản sinh ra lượng ánh sáng là 80 lumen (đơn vị quang thông), trong khi đó một bóng đèn sợi đốt tiêu chuẩn có công suất 60W có thể cung cấp lượng ánh sáng là 900 lumen. Điều đó có nghĩa là một bóng đèn LED công suất lớn chỉ có thể cung cấp lượng ánh sáng bằng 1/11 so với một bóng đèn sợi đốt 60W.
Để có thể cung cấp đủ ánh sáng người ta phải sản xuất những cụm đèn LED, tuy nhiên thì tương lai vẫn thuộc về đèn LED khi mà những cải tiến đã nâng gấp đôi công suất chiếu sáng của loại đèn này trong 2 năm trở lại đây.1 Ưu điểm của đèn LED: 1.