Ưu nhược điểm của đèn LED

1. Đầu tiên, cùng tìm hiểu chung về nguyên lý họat động của đèn LED

LED là gì ?

LED( viết tắt từ thuật ngữ tiếng Anh Light Emitting Diode) hay còn gọi là diod phát quang, là loại đèn chiếu sáng nhờ 2 điện cực với chất liệu bán dẫn. Loại đèn ngày nay đã không còn quá xa lạ với nhiều người. Ta có thể bắt gặp thiết bị  chiếu sáng xanh này trong rất nhiều các lĩnh vực của đời sống như: y tế, giáo dục, giao thông, kiến trúc, xây dưng,… Đặc biệt chúng được ứng dụng khá rộng rãi trong chiếu sáng ngoài trời.

LED là loại đèn chiếu sáng dựa trên công nghệ bán dẫn. Vận hành của chúng cũng giống với nhiều loại bán dẫn khác. Khối bán dẫn loại P chứa nhiều lỗ điện tích dương dương ghép với khối bán dẫ loại N mang điện tích âm. Hai khối bán dẫn này có khuynh hướng chuyển động khuếch tán sang nhau (N nhận điện tử điện tích dương từ P, 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). 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 hường kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hòa. Quá trình này giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó).

Nguyên lý phát sáng của đèn LED

Tùy theo mức năng lượng được giải phóng  ra cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng phát ra cũng khác nhau (tức là màu sắc ánh sáng cũng theo đó 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.

Đèn LED thường có điện thế phân cực thuận cao hơn điốt thông thường, trong khoảng 1,5 đến 3V. Nhưng điện thế phân cực nghịch ở LED thì không cao. Do đó LED rất dễ bị hư hỏng do điện thế ngược gây ra.

Tuổi thọ của đèn LED là bao lâu ?

Tuổi thọ của đèn LED là điều được quan tâm nhất đối với bất cứ ai khi cân nhắc về đèn chiếu sáng. Một trong những lợi ích to lớn của đèn LED là tuổi thọ lâu dài của chúng. Điều này bởi chúng không hoạt động dựa trên dây tóc hay các bộ phận với khả năng “chuyển động” nên khả năng bị hỏng hóc rất thấp.

Sản lượng ánh sáng từ tất cả các nguồn ánh sáng như: LED, halogen, halogen kim loại và huỳnh quang đều có sự suy giảm theo thời gian.  Lượng ánh sáng phát ra từ nguồn sáng tại một thời điểm cụ thể trong tương lai được gọi là yếu tố duy trì đèn lumen - LLMF. Tuổi thọ của một mô đun LED được định nghĩa là khoảng thời gian lượng ánh sáng, lumen được duy trì cho đến khi còn~70% đầu ra so với lượng ban đầu. Đây được gọi là L70. Nói cách khác, module không chết ngay lập tức mà nó dần dần mờ đi. Các nhà quy hoạch về ánh sáng sẽ tính đến hiệu quả này khi họ lắp đặt hệ thống chiếu sáng. Khi muốn mức ánh sáng đạt được giá trị lux tối thiểu vào thời điểm cuối trong tuổi thọ, thường người ta sẽ sử dụng nhiều bóng đèn hơn. Vì thế, Giá trị lux khi bắt đầu tuổi thọ của hệ thống chiếu sáng cao hơn giá trị của nó khi kết thúc. Ngành công nghiệp chiếu sáng đã tiêu chuẩn hóa tuổi thọ của LED= tối thiểu 50000 giờ, tương ứng với LLMF là 0,7 và tất nhiên tuổi thọ của của hệ thống chiếu sáng cũng ở số giờ tương tự. Đèn cao áp LED thường được ưu tiên sử dụng loại có tuổi thọ cao hơn so với đèn sinh hoạt.

Các số liệu dưới đây cho thấy yếu tố duy trì đèn lumen (LLMF%) theo thời gian (k = 1.000 giờ) và số lượng nguồn ánh sáng thay đổi đến 50.000 giờ đối với các nguồn ánh sáng khác nhau:

Huỳnh quang T8: LLMF = 0,75 

Huỳnh quang T5: LLMF = 0,90

Huỳnh quang compact: LLMF = 0,83

Halogenua kim loại: LLMF = 0,66

LED: LLMF = 0,9

Về giá trị L trong đèn LED – tại sao giá trị L này quan trọng? 

Giá trị L liên quan trực tiếp đến yếu tố bảo trì (MF). Yếu tố bảo trì giá trị càng cao, tức là đèn hoạt động càng hiệu quả. MF bao gồm các thông số sau:  

MF = LLMF x LSF x LMF x RSMF

 LLMF = Hệ số bảo trì đèn Lumen

LSF = Hệ số sống sót của đèn. Các yếu tố LSF có thể được bỏ qua (thiết lập để 1,0) nếu các bộ đèn được thay thế ngay lập tức sau khi hỏng.

LMF = Hệ số bảo trì đèn. Phụ thuộc vào loại đèn, độ “sạch” của môi trường và cuối cùng là thời gian làm sạch của đèn. Giá trị thông thường từ 0,93 đến 0,98 đối với môi trường trong sạch.

RSMF = Hệ số bảo dưỡng bề mặt phòng. Phụ thuộc vào các yếu tố phản xạ trong phòng, độ sạch sẽ của môi trường và cuối cùng là khoảng thời gian làm sạch của căn phòng. Các giá trị bình thường cho việc sử dụng nội thất là từ 0,95 đến 0,97 đối với môi trường trong sạch.·                  

L về cơ bản giống như giá trị LLMF. L80 tương ứng với LLMF là 0,8. Để tìm đúng giá trị L, trước tiên phải xác định đúng tuổi thọ và nhiệt độ môi trường yêu cầu (T _a ). 
Các giá trị LMF và RSMF được định nghĩa trong CIE 97 và hầu hết các chương trình tính toán trên máy tính có thể giúp tính đúng giá trị. Ví dụ:

1. Bóng đèn LED được sử dụng trong một văn phòng. Đèn này có một đời của L ₉₀ = 50000 giờ tại T _một 25 độ. Thời gian làm sạch 1 năm, các yếu tố phản ánh 70, 50, 20.

MF = LLMF x LSF x LMF x RSMF = 0,9 * 1 * 0,96 * 0,96 = 0,83 

2. Đèn chiếu sáng LED dùng trong hành lang. Đèn này có tuổi thọ L ₈₀ = 50000 giờ tại Ta 25 độ. Thời gian làm sạch 1 năm, các yếu tố phản ánh 70, 50, 20.

MF = LLMF x LSF x LMF x RSMF = 0,8 * 1 * 0,96 * 0,96 = 0,74

Tuổi thọ thực tế của đèn LED là yếu tố quan trọng để tiết kiệm chi phí

Thực tế, sau 50 000 giờ. Khả năng 70-80% đèn LED vẫn có thể được duy trì. LLMF 0,8 trở lên và người thiết kế ánh sáng không cần thiết phải lắp đặt thêm thiết bị chiếu sáng. Điều này có nghĩa là chi phí lắp đặt thấp hơn và hóa đơn tiền điện cũng thấp hơn. Đồng thời, mức độ lux vẫn đáp ứng các yêu cầu về tiêu chuẩn chiếu sáng. 

Các tiêu chuẩn mới về tuổi thọ của đèn LED

Các tiêu chuẩn quốc tế mới về tuổi thọ đèn là: IEC 62717 LED-module – yêu cầu cho thiết bị chiếu sáng nói chung và IEC 62722-2-1 - yêu cầu đặc biệt cho đèn LED. 
IEC 62722 nêu cả phương pháp thử và thời gian yêu cầu tối thiểu để kiểm tra thọ của đèn. Thời gian kiểm tra tối thiểu là 6000 giờ,mỗi một 1000 giờ lượng ánh sáng sẽ được ghi lại. 
Thời gian hoạt động của module LED và driver cần được ghi nhận riêng. Nếu thời gian hoạt động của driver ngắn hơn thời gian của module, driver cần được thay thế trước khi đèn kết thúc vòng đời. 
Hai yếu tố ảnh hưởng đến tuổi thọ của bóng đèn LED - sự suy giảm của sản lượng ánh sáng hoặc sự nhưng hoạt động đột ngột,

Hình ảnh cho thấy hai yếu tố ảnh hưởng đến tuổi thọ của bóng đèn LED

- sự suy giảm của sản lượng ánh sáng hoặc sự nhưng hoạt động đột ngột. Nguồn: ZVEI.

2. Ưu điểm của đèn LED

Đèn LED ra đời đã đánh dấu 1 mốc quan trọng trong kỉ nguyên chiếu sáng của nhân loại. Ngoài tiêu chí tuổi thọ đèn chiếu sáng LED đã đề cập ở trên. TK Lighting xin điểm qua 1 số ưu điểm nổi trội của đèn LED so với đèn chiếu sáng truyền thống như:

• Với mỗi W, LED phát ra nhiều ánh sáng hơn so với bóng đèn sợi đốt. Điều này vô cũng hữu ích trong các thiết bị sử dụng pin hoặc năng lượng.
• LED có thể phát ra ánh sáng có màu sắc dự định mà không cần sử dụng bộ lọc màu mà các phương pháp chiếu sáng truyền thống yêu cầu. Điều này hiệu quả hơn và có thể làm giảm chi phí ban đầu.

• Bao bì rắn của đèn LED có thể được thiết kế nhằm tập trung ánh sáng của đèn. Với đèn sợi đốt và đèn huỳnh quang thường đòi hỏi một gương phản xạ bên ngoài để tập trung ánh sáng và hướng ánh sáng theo hướng mong muốn.
• Khi ứng dụng trong các trường hợp đòi hỏi độ mờ của đèn, màu sắc ánh sáng cũng không bị thay đổi, không giống như bóng đèn huỳnh quang sẽ bị chuyển sang màu vàng.

   Đèn LED cho ra các loại ánh sáng trắng với nhiệt độ màu khác nhau

• Đèn LED rất lý tưởng để sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi thường xuyên bật/tắt, không giống như đèn HID cần thời gian dài trước khi có thể khởi động lại.
• LED, với các thành phần ở trạng thái rắn, rất khó bị hỏng khi bị rung sốc do ngoại lực.Trong khi bóng huỳnh quang và sợi đốt rất dễ bị vỡ nếu có tác động của ngoại cảnh.
• LED có tuổi thọ thực tương đối dài. Các đèn huỳnh quang thường được đánh giá ở mức khoảng 30.000 giờ, HID và MH được đánh giá trong khoảng 10.000 đến 24.000 giờ và các bóng đèn sợi đốt ở 1.000-2.000 giờ. Trong kho đó LED là 50 000 giờ hoặc hơn.
• Đèn LED hầu như bị mờ theo thời gian, chúng không bị đốt cháy đến điểm nóng sáng như bóng sợi đốt hoặc đèn HID. Điều này giúp cho khu vực được chiếu sáng bằng LED an toàn hơn, nhất là chiếu sáng ngoài trời khi phải đối diện với khá nhiều nguy cơ từ yếu tố thời tiết. Ngay cả khi đèn LED mờ theo thời gian, chất lượng của chúng vẫn hơn hẳn những loại bóng khác, ở cùng điều kiện chiếu sáng, cho đến khi cần thay thế. Đèn LED chỉ cần phải được thay thế sau khi chúng đã mất 30% lumen khấu hao (17-20 năm đối với đèn LED chất lượng).
• Đèn LED sáng lên rất nhanh. Một đèn LED chỉ thị màu đỏ điển hình sẽ đạt được độ sáng đầy đủ trong micro giây. Đèn LED được sử dụng trong các thiết bị truyền thông có thể có thời gian đáp ứng nhanh hơn.
• LED có thể được thiết kế rất nhỏ và dễ dàng được đưa vào bảng mạch.
• Không giống như đèn huỳnh quang compact, LED không chứa thủy ngân.

3. Nhược điểm của đèn LED

Xét về chi phí đầu tư ban đầu, den LED hiện nay đắt hơn khá nhiều so với các sản phẩm khác, giá được đo bằng giá mỗi lumen, do chi phí đầu tư cho công nghệ LED cao hơn các công nghệ chiếu sáng thông thường, kết hợp với chi phí của mạch ổ đĩa và nguồn cung cấp điện... Tuy nhiên, khi xem xét tổng chi phí sở hữu (bao gồm cả chi phí năng lượng và bảo trì), đèn chiếu sáng LED vượt xa các nguồn sáng khác. Vào tháng 12 năm 2007, các nhà khoa học tại Đại học Glasgow cho biết đã tìm ra cách để làm cho Đèn sáng phát sáng hơn và sử dụng ít năng lượng hơn bóng đèn tiết kiệm năng lượng hiện có trên thị trường bằng một phương pháp hiệu quả và tiết kiệm chi phí - sử dụng một quy trình được biết đến như in thạch bản nano.

Hiệu suất của LED chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường hoạt động. Driver của LED sẽ có vấn đề ở nhiệt độ cao, có thể dẫn đến tình trạng quá nóng của toàn bộ đèn, cuối cùng dẫn đến hỏng thiết bị. Cần phải có tản nhiệt để duy trì tuổi thọ lâu dài của đèn. Điều này đặc biệt quan trọng khi xem xét về các ứng dụng như: đèn ô tô, đèn ngoài trời, đèn dùng trong y tế và quân sự - khi mà các thiết bị được yêu cầu phải đáp ứng ánh sáng liên tục và phải hạn chết đến mức tối đa trục trặc có thể phát sinh. 

Như vậy, đèn LED không phải là 1 giải pháp hoàn hảo, nhưng với những lợi thế kể trên, việc đèn LED có khả năng thay thế đèn sodium, metal halide trong tương lai là chuyện dễ xảy đến.

Những thông tin trên đây hy vọng đã phần nào giúp cho bạn có những đánh giá tổng thể về ưu – nhược điểm của một trong những loại đèn tiên tiến nhất hiện nay – LED. Từ đó, hình thành nên những cơ sở để bạn có thể cân nhắc chọn mua thiết bị chiếu sáng phù hợp cho hệ thống chiếu sáng công trình của mình.

Sưu tầm