Chip led là gì?

Các sản phẩm chiếu sáng nhân tạo mà chúng ta đang dùng ở khắp nơi từ nhà máy, công xưởng, đường phố, vui chơi giải trí không thể không có các dòng chip led tích hợp bên trong. Đây là công nghệ tiên tiến nhất hiện nay thay thế cho các sản phẩm truyền thống chất lượng kém hơn, tiêu thụ điện nhiều hơn, ánh sáng không chuẩn bằng cũng như hạn chế trong rất nhiều ứng dụng.

Chip led là gì?

Chip led là tên viết tắt của Light Emitting Diode là một nguồn sáng nhân tạo được làm bằng vật liệu bán dẫn, khi có dòng điện chạy qua led sẽ phát sáng. Các electron trong chất bán dẫn tái kết hợp với các lỗ trống, giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt và ánh sáng.

Màu sắc ánh sáng (tương ứng với mức năng lượng photon) được quyết định bởi mức năng lượng yêu cầu để các electron băng qua khoảng cách đỉnh vùng hóa trị (valence band) và đáy của vùng dẫn (conduction band) của chất bán dẫn.

Có thể bạn quan tâm Đèn pin siêu sáng chất lượng.

Cấu tạo chip led.

Led có cấu tạo giống như một điốt thông thường với 2 lớp bán dẫn loại P (chứa các lỗ trống) và N (chứa các electron) tiếp giáp với nhau nhưng khi có dòng điện chạy qua sẽ phát ra ánh sáng. Sự tái hợp của các hạt mang điện xảy ra trong lớp bán dẫn loại P và do đó lớp này được chế tạo nằm ở bề mặt của Led.

Để có thể phát ra mức ánh sáng tối đa, cực dương của led được đặt ở rìa lớp P. Cực âm của led làm bằng tấm màng mỏng bằng vàng và được đặt phía dưới lớp bán dẫn loại N, lớp màng mỏng này cũng góp phần phản xạ ánh sáng lên phía bề mặt của led

Cấu tạo chip led

Cấu tạo chip led

Nguyên lí hoạt động.

Led hoạt động dựa vào thuyết lượng tử, khi năng lượng của electron suy giảm từ mức năng lượng cao hơn (conduction level) xuống mức năng lượng thấp hơn (valence band), nó phát ra năng lượng dưới dạng photon, mức năng lượng này bằng với hiệu số giữa 2 mức trên.

năng lượng photon

năng lượng photon

Mức năng lượng photon và màu sắc thay đổi theo vật liệu chế tạo led.

Màu Bước sóng Năng lượng photon
Tím 380 – 450nm 2.95 – 3.10eV
Xanh dương 450 – 485nm 2.64 – 2.75eV
Xanh lơ 485 – 500nm 2.48 – 2.52eV
Xanh lục 500 – 565nm 2.25 – 2.34eV
Vàng 565 – 590nm 2.10 – 2.17eV
Cam 590 – 625nm 2.00 – 2.10eV
Đỏ 625 – 740nm 1.65 – 2.00eV

Phân loại chip led.

DIP (Dual in-line package) led.

Đây là loại led có 2 chân cắm một ngắn (cực âm) một dài (cực dương) được cắm thông qua các lỗ xuyên bo mạch, có thân giống như hình viên đạn nhỏ được vác tròn ở đầu để tăng hiệu quả phát tán ánh sáng, được phát triển vào năm 1962 bởi Nick Holonyak. Mỗi chip led riêng lẻ này có thể phát ra 3-4lm. Thiết kế dạng này vẫn còn dùng nhiều cho tới ngày nay, các bạn có thể thấy chúng trong các thiết bị điện tử gia đình như đèn chỉ thị nguồn của tivi, ổ cắm điện…

Thông thường phải mua chúng với số lượng nhiều từ người bán. Ưu điểm của chúng là tuổi thọ dài, dễ lắp đặt và thay thế. Tuy nhiên hạn chế của nó là sự suy giảm về mặt quang học cũng như có chỉ số hoàn màu thấp, chúng kém hiệu quả hơn nhiều so với các led được phát triển sau này.

SMD (Surface Mount Device) led.

SMD led là loại led có kích thước nhỏ gọn có thể dán lên bề mặt các bo mạch điện tử. Chúng cũng được sản xuất tích hợp 3 màu sắc riêng biệt (đỏ, xanh lá cây, xanh lam) vào trong một led. Led có dạng hình chữ nhật và bao gồm 3 cell, mỗi cell chứa một phần tử phát sáng (tinh thể bán dẫn) tạo ra ánh sáng khi có dòng điện chạy qua. Để bảo vệ các cell này, một lớp nhựa tổng hợp với nhiều màu sắc tùy chọn sẽ được phủ lên mặt trên của led.

Tùy thuộc vào số lượng cell trong mỗi led mà chúng có số lượng chân ra để hàn lên bo mạch, nếu led chỉ có 1 cell thì tương ứng với một cặp chân âm dương, loại RGB led thì sẽ cho ra 3 cặp chân tương ứng.

Các loại led này được phân loại dựa vào 4 chữ số, 2 số đầu tiên để phân biệt độ dài của led, 2 số còn lại thể hiện độ cao của led được tính bằng mm. Ví dụ led 5050 là 5mm x 5mm. Các bạn có thể tham khảo ở bảng sau:

Kích cỡ chip led smd

Kích cỡ chip led smd

Smd led hiện nay đang được sử dụng rất nhiều trên thị trường. Do việc sản xuất ở số lượng lớn nên chi phí sản xuất cũng giảm theo, ngoài ra do sự đổi mới và phát triển liên tục của các loại vật liệu bán dẫn nên sau mỗi năm luôn có những smd led mới ra đời cho độ sáng tốt hơn với cùng một mức công suất tiêu thụ

Một số ứng dụng thường thấy hiện nay của dòng smd led này như trong hệ thống chiếu sáng công nghiệp, các thiết bị điện tử cá nhân như màn hình led, tivi, máy chiếu,

High power led.

Led công suất cao là loại led có có khả năng phát ra ánh sáng rất mạnh. Dòng điện không đổi được dẫn qua lớp bán dẫn, cụ thể hơn là thạch anh bán dẫn, làm cho các electron dao động và phát ra ánh sáng. Dòng led này có hiệu suất cao có thể phát ra 100 lumen mỗi watt, một led công suất 5W có thể cho ra quang thông 500 lumen.

Led công suất cao tiêu thụ rất nhiều điện năng và cần dòng điện cao hơn nhiều so với led truyền thống, có thể trên vài trăm mA. Chúng chuyển đổi điện năng sang ánh sáng và đồng thời cũng phát ra nhiều nhiệt. Do đó đối với led này cần phải làm mát để duy trì hoạt động. Trong chế tạo, mặt sau của led công suất cao có tấm mạch in pcb kết hợp luôn chức năng giải nhiệt cho led.

SMD Led

SMD Led

COB (Chip On Board) led.

COB led là loại led được sản xuất dưa trên việc gắn rất nhiều led kết nối trực tiếp với bề mặt của chất nền như silicon carbide hay sapphire để tạo ra một mảng led. COB led có nhiều ưu điểm hơn so với các công nghệ led cũ hơn như SMD led hoặc DIP led.

Công nghệ COB cho phép mật độ đóng gói số lượng led trên mạch nhiều hơn hẳn làm cho led có khả năng phát ra quang thông cao hơn gấp nhiều lần. Ví dụ như bo mạch có diện tích 10mm x 10mm sử dụng công nghệ COB led có số lượng led nhiều gấp 38 lần so với sử dụng kỹ thuật DIP led và nhiều gấp 8.5 lần so với kỹ thuật SMD led.

Điều này dẫn đến led sẽ có khả năng phát sáng tốt hơn và độ đồng đều cũng cao hơn hẳn. Ngoài ra việc sử dụng kỹ thuật này còn làm giảm thiểu số lượng chân (footprint) và led cũng tiêu thụ ít điện năng hơn trong khi vẫn giữa được chất lượng nguồn sáng ổn định.

Số lượng chip led theo các kỹ thuật đóng gói COB ,SMD, DIP

Số lượng chip led theo các kỹ thuật đóng gói COB ,SMD, DIP

Thuận lợi to lớn khác là COB led chỉ có 1 mạch điện và 2 tiếp điểm cho toàn bộ chip led không quan tâm đến số lượng led trên mạch, điều này làm cho việc thiết kế, sử dụng đơn giản hơn rất nhiều.

MCOB (Multiple Chip On Board) led.

Đây là loại led với kỹ thuật đóng gói COB được tích hợp nhiều phễu chứa chip led, ánh sáng được tập trung xung quanh phễu khi phát ra từ các chip led. Bởi vì tỏa nhiệt nên chúng luôn tích hợp các phiến tản nhiệt.

MCOB led

MCOB led

COG (Chip On Glass) hay Led filament.

Led filament hay led dây tóc bao gồm nhiều led mắc nối tiếp trên một lớp chất nền (có kiểu dáng như sợi dây) trong suốt thường gọi là chip on glass. Lớp chất nền này thường được làm từ sợi thủy tinh hoặc sapphire.

Độ trong suốt của lớp chất nên cho phép ánh sáng phát ra được phân tán đồng đều và đồng nhất không bị nhiễu. Một lớp phủ phốt pho vàng giúp chuyển đổi ánh sáng xanh được phát ra bởi led thành ánh sáng có nhiệt độ màu 2700K trắng ấm giống như đèn dây tóc. Sự rò rỉ ánh sáng xanh ra bên ngoài chính là điểm yếu của led dây tóc.

COG led, filament led

COG led, filament led

Mạch điều khiển led.

Các chip led để hoạt động được thì chúng cần phải có mạch điều khiển, tên thường gặp là led driver, hoặc đôi khi lại có tên mạch cấp nguồn cho led. Chúng tương tự như các balast (tăng phô/chấn lưu) của đèn huỳnh quang hoặc các biến áp cho các đèn sử dụng điện áp thấp.

Các mạch điều khiển này phải đảm bảo được 2 mục đích cụ thể:

  • Một số led được thiết kế để hoạt động ở mức điện điện áp một chiều thấp (chip led 12V hoặc chip led 24V), tuy nhiên nguồn điện sinh hoạt của chúng ta hoạt động ở nguồn điện áp AC 220V. Do đó mạch điều khiển led phải có chức năng nắn điện áp cao, xoay chiều sang mức điện áp thấp hơn, một chiều.
  • Mạch điều khiển led phải bảo vệ led do dòng điện hoặc điện áp không ổn định, nhấp nhô. Một sự thay đổi về điện áp sẽ gây ra dòng điện thay đổi cung cấp cho led. Ánh sáng phát ra của led lại tỉ lệ thuận với dòng điện này do đó dòng điện quá lớn hay quá nhỏ làm ánh sáng phát ra từ led không ổn định.

Tóm lại, mạch điều khiển led có mục đích chuyển điện áp cao, xoay chiều sang điện áp thấp, một chiều và chúng cũng phải đảm bảo tính ổn định của điện áp và dòng điện qua led. Các mạch này thường tích hợp chung với led hoặc cũng có thể tách rời.

Một số bóng đèn có thể tháo lắp thay thế dễ dàng có chuẩn đui đèn E26/E27, GU24/GU10 sử dụng trực tiếp điện lưới sinh hoạt, các mạch điều khiển led tích hợp chung vào bóng. Một số đèn sử dụng outdoor, đèn panel, đèn led dây… mạch điều khiển thường ở dạng rời bởi vì việc thay thế sẽ đơn giản hơn, rẻ hơn so với thay cả led.

Một số lưu ý khi chọn lựa mạch điều khiển led như mạch có dòng điện không đổi, mạch có điện áp không đổi, mức công suất tối đa, khả năng dimming, hệ số công suất và tiêu chuẩn IP (tiêu chuẩn chống bụi, nước).

Tham khảo bài viết Pin Lithium là gì?

Các hãng sản xuất chip led nổi tiếng trên thị trường.

Bên cạnh các thương hiệu mà tôi đã đề cập trước đây như Cree, Luxeon, Nichia, Epistar thì còn rất nhiều hãng sản xuất ra các loại chip led chất lượng để các bạn có thể tham khảo như:

Chip led Bridgelux: là hãng sản xuất lớn có trụ sở chính tại Mỹ và 8 nhánh con ở các quốc gia như Đức, Đài Loan, Trung Quốc, Ấn Độ. Do việc hiểu rõ tác động của nguồn sáng đến hành vi người dùng nên các sản phẩm tạo ra luôn hướng đến những trải nghiệm người dùng và bảo đảm môi trường sống cũng tốt hơn.

Chip led Osram: là một thương hiệu chất lượng đến từ Đức với lịch sử hơn 110 năm. Các sản phẩm chiếu sáng được sử dụng nhiều trong các ứng dụng như thực tế ảo, lái xe tự hành, điện thoại di động và các giải pháp chiếu sáng thông minh cho các tòa nhà và cả các thành phố lớn.

Chip led Lumileds: với tuổi đời hơn 100 năm, Lumileds là công ty giải pháp chiếu sáng toàn cầu cung cấp sản phẩm cho khách hàng khắp nơi trên thế giới. Là nhà phát minh ra công nghệ Xenon, tiên phong trong lĩnh vực chiếu sáng halogen và là đơn vị dẫn đầu mảng led hiệu suất cao.

Chip led Samsung: Samsung đã quá nổi tiếng ở thị trường Việt Nam không chỉ các sản phẩm điện gia dụng như tivi, tủ lạnh, điều hòa không khí mà còn ở các thiết bị cầm tay như điện thoại thông minh, máy tính bảng. Các sản phẩm chip led Samsung được đưa vào kinh doanh từ năm 1995, vào năm 2006 họ đã phát triển thành công dòng chip led công suất lớn PKG 1W, năm 2015 thì phát triển dòng chip led công suất trung bình và các dòng sản phẩm COB led, năm 2017 phát triển được dòng led cho hiệu suất cao 200lm/W.

Ứng dụng của chip led.

Đèn xe.

Hệ thống chiếu sáng của xe bao gồm đèn chiếu sáng, đèn tín hiệu được gắn hoặc tích hợp ở phía trước, phía sau, bên cạnh, trong một số trường hợp có thể gắn lên phía trên của xe.

Hệ thống này làm sáng lối đi giúp cho người lái xe gia tăng tầm nhìn phía trước cũng như làm rõ sự hiện diện của xe trên đường, điều này giúp cho người đi bộ cũng như các tài xế khác có thể thấy sự hiện diện của xe, vị trí, kích cỡ, hướng di chuyển và có thể quan sát được tốc độ đi trên đường.

Các loại xe cứu thương hay xe cứu hỏa thường mang các thiết bị chiếu sáng đặc biệt để cảnh báo tài xế và chỉ mức độ ưu tiên di chuyển trong giao thông.

Chiếu sáng trong nông nghiệp.

Đây là các loại đèn giúp cho cây trồng tăng trưởng. Đèn chiếu sáng với chip led này luôn hướng đến khả năng cung cấp dải quang phổ ánh sáng tương tự như ánh sáng mặt trời hoặc có thể tạo ra một loại quang phổ nào đó phù hợp riêng cho từng loại cây trồng cụ thể.

Tùy theo loại cây trồng, các giai đoạn trồng trọt như giai đoạn nảy mầm, giai đoạn sinh trưởng, ra hoa kết quả hay quang kỳ của cây mà đèn có những đặc tính như nhiệt độ màu, khả năng cung cấp quang thông, hay vùng quang phổ khác nhau ứng với từng loại cây cụ thể.

Chiếu sáng công nghiệp.

Bạn có thể gặp nhiều trong chiếu sáng kho bãi, nhà xưởng. Để giữ cho nhân viên làm việc an toàn hơn cũng như cải thiện hiệu suất làm việc thì chiếu sáng là yếu tố cực kỳ quan trọng, việc kết hợp thêm cải giải pháp IoT đi kèm để kết nối cả hệ thống và điều khiển chúng sẽ giảm bớt đi rất nhiều chi phí điện năng và nhân công vận hành.

chip led sử dụng trong chiếu sáng nông nghiệp

chip led sử dụng trong chiếu sáng nông nghiệp

Ngoài ra bạn cũng có thể thấy ứng dụng chip led trong các lĩnh vực chiếu sáng đường phố, giải trí cũng như chúng có mặt ở khắp mọi nơi, trong các căn phòng trong nhà của chúng ta

Trên đây là những thông tin về chip led từ cấu tạo, nguyên lí hoạt động đến các mạch điều khiển của chúng đến các hãng sản xuất. Hiểu rõ chúng có thể sẽ giúp cho mọi người phần nào có cơ sở để chọn mua đúng loại mình cần, đúng các hãng uy tín và chất lượng cao.  Tham khảo các bài viết khác tại chuyên mục Đèn pin.

https://siliconlightworks.com/resoures/what-are-cob-leds

https://visualled.com/en/glossary/smd-led/

Tác giả: Tăng Đạt

Bạn hãy chia sẽ bài viết này nếu thấy hữu ích.
0 0 votes
Article Rating
Subscribe
Notify of
guest
0 Comments
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x