Cấu Tạo Và Nguyên Lý Hoạt Động Của Đèn LED

Chúng ta đã quá quen thuộc với những bóng đèn LED. Thế nhưng có bao giờ bạn tự hỏi nó hoạt động ra sao và có cấu tạo như thế nào. Trong bài viết này mời các bạn cùng Phúc Gia LAB cùng tìm hiểu thông tin nhé!

1. Đèn LED là gì?

LED là từ viết tắt của Light Emitting Diode hay điốt phát quang là một linh kiện điện tử dựa trên chuyển tiếp P – N. Bản chất của LED là một đi-ốt, nó chứa một chíp bán dẫn có pha các tạp chất để tạo ra một tiếp giáp P-N, kênh P chứa lỗ trống, kênh N chứa điện tử, dòng điện truyền từ Anot (kênh P) đến Catot (kênh N), khi điện tử lấp đầy chỗ trống nó sinh ra bức xạ ánh sáng, các bước sóng phát ra có màu khác nhau tùy thuộc vào tạp chất trong chíp bán dẫn. LED phân thành ba loại chính theo dải công suất: cỡ nhỏ, cỡ trung bình, cỡ lớn.

2. Cấu tạo của đèn LED chiếu sáng

Lăng kính – Ánh sáng đèn LED là ánh sáng hướng. Góc phân bố ánh sáng tiêu chuẩn của đèn LED là 180 độ và ánh sáng phát ra vào khoảng nửa trên của bóng đèn. Đối với một số đèn LED, góc phân bố có thể điều chỉnh được, có chùm hẹp, rộng khách nhau. Góc chiếu sáng có thể được thay đổi bằng lăng kính. Lăng kính Polycarbonate được ưu tiên sử dụng vì chúng ít cản ánh sáng và tương đối dễ sản xuất. Chất lượng bề mặt và hình dáng của lăng kính rất quan trọng để đảm bảo sự lan truyền của ánh sáng và để hạn chế tổn thất trong sản lượng ánh sáng.

Chip LED – đây là bộ phận phát ra ánh sáng cho đèn

Cấu tạo của đèn LED chiếu sáng

Lớp bề mặt: Thường là một lõi kim loại PCB được sử dụng để gắn đèn LED. Bên cạnh việc cung cấp bề mặt để gắn chip LED, lõi kim loại còn dùng giúp chuyển nó vào bộ tản nhiệt với bề mặt tiếp xúc rộng hơn.

Lớp tiếp xúc: Thường là keo hoặc dầu mỡ, bộ phận này được sử dụng để tối đa tiếp xúc khi gắn lớp bề mặt vào bộ phận tản nhiệt giúp tối đa hóa việc truyền tải nhiệt xuống bộ tản nhiệt.

Bộ tản nhiệt: Bộ phận tản nhiệt có 2 loại. Tản nhiệt chủ động, thường là quạt dùng để lưu thông không khí. Tản nhiệt bị động sử dụng vây kim loại để làm tiêu tán nhiệt. Tản nhiệt chủ động thường giải nhiệt tốt hơn, nhưng trong hầu hết các ứng dụng, tản nhiệt bị đồng là đủ để giúp cho bộ đèn có nhiệt độ hoạt động tốt nhất.

3. Nguyên lý phát sáng của đèn LED

Khi một hiệu điện thế thích hợp được đặt vào các vật dẫn, các electrons tái kết hợp với các lỗ trống và giải phóng năng lượng dưới dạng photons. Hiệu ứng này được gọi là điện phát quang. Màu sắc của ánh sáng LED được xác định bởi vùng cấm năng lượng của chất bán dẫn.

Nguyên lý phát sáng của đèn LED

Hiện tượng phát quang: Các điện tử ở lân cận cực tiểu vùng dẫn sau một thời gian tồn tại ở đây có thể chuyển mức xuống trạng thái trống trong vùng hóa trị, tái hợp với lỗ trống và phát ra một photons.
Đối với một chất bán dẫn, đây là quá trình tái hợp bức xạ tự phát, không phụ thuộc vào mật độ phổ năng lượng của bức xạ điện từ bên ngoài.

Xét chuyển tiếp P – N ở trạng thái không phân cực tại cả vùng nghèo và vùng trung hòa. Do hệ đã thiết lập trạng thái cân bằng, do đó số điện tử tái hợp bằng số điện tử phát xạ. Mật độ dòng photons phát ra rất nhỏ, phần lớn bị hấp thụ do đó không có hiện tượng phát quang.

Xét chuyển tiếp P – N ở trạng thái phân cực thuận. Tại vùng nghèo do hiện tượng khuếch tán và phun hạt dẫn. Nồng độ hạt dẫn dư (điện tử và lỗ trống) tại vùng nghèo tăng đột ngột, để thiết lập lại cân bằng các điện tử và lỗ trống tái hợp theo cơ chế tái hợp tự phát và phát ra các photons. Do tác dụng của điện áp thuận đặt vào lớp chuyển tiếp, vùng nghèo luôn luôn ở trạng thái thừa hạt dẫn, do đó mật độ dòng photons phát ra từ vùng nghèo luôn được duy trì tạo thành chùm sáng thoát ra khỏi lớp chuyển tiếp.

Trong trường hợp chuyển tiếp P – N ở trạng thái phân cực ngược. Dòng ngược là dòng của hạt dẫn thiểu số rất nhỏ dẫn tới mật độ dòng photons phát ra quá nhỏ, phần lớn bị hấp thụ trở lại do đó không có ánh sáng phát ra.

Như vậy, điện áp thuận đặt vào LED sẽ tạo ra hiện tượng phun hạt dẫn qua lớp chuyển tiếp, qua đó làm tăng đột ngột nồng độ hạt dẫn dư, sự tăng nồng độ hạt dẫn dư làm xuất hiện sự tái hợp bức xạ để trở về trạng thái cân bằng. Đó chính là cơ chế hoạt động của LED.

4. Yếu tố nào quyết định màu sắc của đèn LED

Chúng ta thường thấy các bóng đèn LED có màu sắc khác nhau, vô cùng đa dạng và đẹp mắt. Vậy điều gì giúp tạo ra những dãy ánh sáng đa màu như vậy?

– Yếu tố quyết định màu sắc ánh sáng đèn LED

Yếu tố quyết định màu sắc của đèn LED chính là các loại tạp chất (hay chất bán dẫn) có trong bóng đèn. Thành phần và liều lượng tạp chất sẽ quyết định màu sắc của ánh sáng. Như vậy, các nhà sản xuất sẽ vận dụng nguyên tắc này để tạo ra các bóng đèn LED có màu sắc khác nhau.

– Làm sao để tạo ra các màu sắc khác nhau của đèn LED

Cụ thể, ánh sáng của đèn LED mà chúng ta nhìn thấy bằng mắt thường sẽ do mức năng lượng ánh sáng quyết định. Năng lượng ánh sáng này được tạo ra do sự kết hợp giữa lỗ trống P và điện tử N. Nếu khoảng cách giữa 2 yếu tố này càng lớn thì năng lượng càng cao.
Những màu sắc ánh sáng có năng lượng cao nhất là: tím, xanh dương,… và những màu sắc có năng lượng thấp nhất là: đỏ, cam,… Thông thường, nhà sản xuất sẽ tạo ra đèn LED với các gam màu cơ bản như: xanh, đỏ,… và kết hợp nhiều chip màu khác nhau để tạo nên các sản phẩm đèn LED nhiều màu.

– Ánh sáng trắng – sự kết hợp đặc biệt của nguyên lý đèn LED

Nhiều người nhầm tưởng ánh sáng trắng là màu sắc nguyên bản của đèn LED nhưng thực tế điều này không đúng. Để tạo ra ánh sáng trắng, các nhà sản xuất sẽ kết hợp giữa các màu cơ bản như xanh lá, đỏ, xanh dương lại với nhau. 3 con chip khác màu sẽ được sử dụng với tỷ lệ thông thường là: 69% màu xanh lá, 21% màu đỏ và 10% màu xanh dương để tạo ra ánh sáng trắng.

Để tạo ra ánh sáng trắng, phải kết hợp các chip LED màu cơ bản với nhau

Ngoài ra, một phương pháp khác để có được màu trắng của đèn LED là sử dụng photpho (bột huỳnh quang). Cụ thể, các nhà sản xuất sẽ áp dụng một số phương pháp như:

Phủ một lớp photpho Nd YAG có màu vàng lên chip LED màu xanh dương
Phủ một lớp photpho YAN bước sóng 555nm lên chip LED lên tinh thể xanh dương bước sóng 460nm, sau đó dùng thấu kính để kết hợp màu vàng và xanh dương tạo ra màu sắc của ánh sáng trắng.

BÀI VIẾT LIÊN QUAN