Thị trường chiếu sáng toàn cầu đã và đang trải qua một quá trình chuyển đổi căn bản do việc áp dụng công nghệ đi-ốt phát quang (LED) ngày càng tăng mạnh. Cuộc cách mạng chiếu sáng trạng thái rắn (SSL) này về cơ bản đã thay đổi nền kinh tế cơ bản của thị trường và động lực của ngành. Không chỉ các hình thức năng suất khác nhau được kích hoạt bởi công nghệ SSL, quá trình chuyển đổi từ các công nghệ thông thường sang chiếu sáng LED cũng đang thay đổi sâu sắc cách mọi người nghĩ về chiếu sáng. Các công nghệ chiếu sáng thông thường được thiết kế chủ yếu để giải quyết các nhu cầu về thị giác. Với ánh sáng LED, sự kích thích tích cực của các hiệu ứng sinh học của ánh sáng đối với sức khỏe và hạnh phúc của con người đang thu hút sự chú ý ngày càng tăng. Sự ra đời của công nghệ LED cũng mở đường cho sự hội tụ giữa ánh sáng và Internet vạn vật (IoT), mở ra một thế giới khả năng hoàn toàn mới. Ban đầu, đã có rất nhiều nhầm lẫn về ánh sáng LED. Tốc độ tăng trưởng thị trường cao và sự quan tâm lớn của người tiêu dùng tạo ra nhu cầu cấp thiết phải giải tỏa những nghi ngờ xung quanh công nghệ và thông báo cho công chúng về những ưu điểm và nhược điểm của nó.
Đèn LED hoạt động như thế nào?
Đèn LED là gói bán dẫn bao gồm khuôn LED (chip) và các thành phần khác cung cấp hỗ trợ cơ học, kết nối điện, dẫn nhiệt, điều chỉnh quang học và chuyển đổi bước sóng. Chip LED về cơ bản là một thiết bị tiếp giáp pn được hình thành bởi các lớp bán dẫn hỗn hợp pha tạp đối lập. Chất bán dẫn hỗn hợp được sử dụng phổ biến là gali nitrit (GaN) có vùng cấm trực tiếp cho phép xác suất tái hợp bức xạ cao hơn so với chất bán dẫn có vùng cấm gián tiếp. Khi tiếp giáp pn bị lệch về phía thuận, các electron từ vùng dẫn của lớp bán dẫn loại n di chuyển qua lớp biên để vào tiếp giáp p và kết hợp lại với các lỗ trống từ vùng hóa trị của lớp bán dẫn loại p trong lớp tiếp giáp pn. vùng tích cực của diode. Sự tái hợp electron-lỗ trống làm cho các electron rơi vào trạng thái có năng lượng thấp hơn và giải phóng năng lượng dư thừa dưới dạng photon (các gói ánh sáng). Hiệu ứng này được gọi là điện phát quang. Photon có thể vận chuyển bức xạ điện từ của tất cả các bước sóng. Bước sóng chính xác của ánh sáng phát ra từ đi-ốt được xác định bởi khoảng cách dải năng lượng của chất bán dẫn.
Ánh sáng được tạo ra thông qua quá trình điện phát quang trong chip LED có phân bố bước sóng hẹp với băng thông điển hình là vài chục nanomet. Phát xạ dải hẹp dẫn đến ánh sáng có một màu duy nhất như đỏ, xanh dương hoặc xanh lục. Để cung cấp nguồn ánh sáng trắng phổ rộng, độ rộng của phân bố công suất quang phổ (SPD) của chip LED phải được mở rộng. Sự phát quang điện từ chip LED được chuyển đổi một phần hoặc hoàn toàn thông qua quá trình phát quang trong phốt pho. Hầu hết các đèn LED trắng kết hợp phát xạ bước sóng ngắn từ chip xanh InGaN và ánh sáng bước sóng dài hơn phát xạ lại từ phốt pho. Bột phốt pho được phân tán trong ma trận silicon, epoxy hoặc ma trận nhựa khác. Ma trận chứa phốt pho được phủ lên chip LED. Ánh sáng trắng cũng có thể được tạo ra bằng cách bơm các chất lân quang đỏ, lục và lam bằng chip LED cực tím (UV) hoặc tím. Trong trường hợp này, màu trắng thu được có thể đạt được khả năng hiển thị màu vượt trội. Nhưng cách tiếp cận này có hiệu quả thấp vì sự dịch chuyển bước sóng lớn liên quan đến quá trình chuyển đổi ngược của tia cực tím hoặc ánh sáng tím đi kèm với tổn thất năng lượng Stokes cao.
Ưu điểm của đèn LED chiếu sáng
Việc phát minh ra đèn sợi đốt cách đây hơn một thế kỷ đã cách mạng hóa ánh sáng nhân tạo. Hiện tại, chúng ta đang chứng kiến cuộc cách mạng chiếu sáng kỹ thuật số được kích hoạt bởi SSL. Hệ thống chiếu sáng dựa trên chất bán dẫn không chỉ mang lại những lợi ích chưa từng có về thiết kế, hiệu suất và kinh tế mà còn cho phép vô số ứng dụng mới và đề xuất giá trị trước đây được cho là không thực tế. Lợi nhuận thu được từ việc khai thác những lợi thế này sẽ lớn hơn nhiều so với chi phí trả trước tương đối cao để lắp đặt hệ thống đèn LED, mà vẫn còn một số do dự trên thị trường.
1. Hiệu quả năng lượng
Một trong những lý do chính để chuyển sang sử dụng đèn LED là hiệu quả năng lượng. Trong thập kỷ qua, hiệu suất phát sáng của các gói đèn LED trắng chuyển đổi phốt pho đã tăng từ 85 lm/W lên hơn 200 lm/W, thể hiện hiệu suất chuyển đổi điện năng thành quang năng (PCE) trên 60 phần trăm, ở dòng điện hoạt động tiêu chuẩn mật độ 35 A/cm2. Mặc dù có những cải tiến về hiệu quả của đèn LED xanh InGaN, phốt pho (hiệu suất và bước sóng phù hợp với phản ứng của mắt người) và gói (tán xạ/hấp thụ quang học), Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) cho biết vẫn còn nhiều khoảng trống hơn cho PC-LED thực tế có thể cải thiện hiệu quả và hiệu suất phát sáng xấp xỉ 255 lm/W đối với đèn LED bơm màu xanh lam. Hiệu suất phát sáng cao chắc chắn là lợi thế vượt trội của đèn LED so với các nguồn sáng truyền thống—đèn sợi đốt (lên đến 20 lm/W), halogen (lên đến 22 lm/W), huỳnh quang tuyến tính (65-104 lm/W), đèn huỳnh quang compact (46-87 lm/W), huỳnh quang cảm ứng (70-90 lm/W), hơi thủy ngân (60-60 lm/W), natri cao áp (70-140 lm/W) , halogen kim loại thạch anh (64-110 lm/W) và halogen kim loại gốm (80-120 lm/W).
2. Hiệu quả phân phối quang học
Ngoài những cải tiến đáng kể về hiệu quả của nguồn sáng, khả năng đạt được hiệu suất quang học cao của đèn điện với chiếu sáng LED ít được người tiêu dùng phổ thông biết đến nhưng lại được các nhà thiết kế chiếu sáng rất mong muốn. Việc phân phối hiệu quả ánh sáng phát ra từ các nguồn sáng tới mục tiêu là một thách thức thiết kế lớn trong ngành. Đèn hình bóng đèn truyền thống phát ra ánh sáng theo mọi hướng. Điều này làm cho phần lớn quang thông do bóng đèn tạo ra bị giữ lại bên trong đèn điện (ví dụ: bởi gương phản xạ, bộ khuếch tán) hoặc thoát ra khỏi đèn điện theo hướng không hữu ích cho ứng dụng dự kiến hoặc đơn giản là gây khó chịu cho mắt. Các bộ đèn HID như halogen kim loại và natri cao áp thường có hiệu quả khoảng 60 phần trăm đến 85 phần trăm trong việc hướng ánh sáng do bóng đèn tạo ra ra khỏi bộ đèn. Không có gì lạ khi đèn downlight âm trần và đèn troffer sử dụng nguồn sáng huỳnh quang hoặc halogen gặp 40-50 phần trăm tổn thất quang học. Bản chất định hướng của ánh sáng LED cho phép phân phối ánh sáng hiệu quả và hệ số dạng nhỏ gọn của đèn LED cho phép điều chỉnh quang thông hiệu quả bằng cách sử dụng thấu kính ghép. Hệ thống chiếu sáng LED được thiết kế tốt có thể mang lại hiệu suất quang học lớn hơn 90 phần trăm .
3. Chiếu sáng đồng đều
Chiếu sáng đồng đều là một trong những ưu tiên hàng đầu trong thiết kế chiếu sáng khu vực/đường xá trong nhà và ngoài trời. Tính đồng nhất là thước đo mối quan hệ của độ rọi trên một khu vực. Ánh sáng tốt phải đảm bảo phân bố đồng đều lumens tới bề mặt hoặc khu vực làm việc. Sự khác biệt lớn về độ chói do chiếu sáng không đồng đều có thể dẫn đến mỏi thị giác, ảnh hưởng đến hiệu suất tác vụ và thậm chí gây lo ngại về an toàn do mắt cần thích nghi giữa các bề mặt có độ chói khác nhau. Việc chuyển đổi từ khu vực được chiếu sáng rực rỡ sang một khu vực có độ chói rất khác sẽ gây ra hiện tượng mất thị lực chuyển tiếp, điều này có ý nghĩa an toàn lớn trong các ứng dụng ngoài trời có phương tiện tham gia giao thông. Trong các cơ sở lớn trong nhà, hệ thống chiếu sáng đồng đều góp phần mang lại sự thoải mái về thị giác cao, cho phép linh hoạt trong các vị trí nhiệm vụ và không cần phải di chuyển các bộ đèn. Điều này có thể đặc biệt có lợi trong các cơ sở công nghiệp và thương mại ở khu vực cao, nơi có chi phí đáng kể và sự bất tiện liên quan đến việc di chuyển đèn. Những bộ đèn sử dụng bóng đèn HID có độ rọi ngay bên dưới bộ đèn cao hơn nhiều so với những khu vực cách xa bộ đèn hơn. Điều này dẫn đến tính đồng nhất kém (tỷ lệ tối đa/tối thiểu điển hình là 6:1). Các nhà thiết kế chiếu sáng phải tăng mật độ thiết bị cố định để đảm bảo độ đồng đều của độ rọi đáp ứng yêu cầu thiết kế tối thiểu. Ngược lại, một bề mặt phát sáng lớn (LES) được tạo ra từ một dãy các đèn LED kích thước nhỏ tạo ra sự phân bố ánh sáng với độ đồng đều ở tỷ lệ tối đa/tối đa nhỏ hơn 3:1, giúp mang lại điều kiện thị giác tốt hơn cũng như số lượng ánh sáng giảm đáng kể cài đặt trên khu vực nhiệm vụ.
4. Chiếu sáng định hướng
Do mô hình phát xạ có hướng và mật độ thông lượng cao, đèn LED vốn đã phù hợp với chiếu sáng có hướng. Đèn định hướng tập trung ánh sáng do nguồn sáng phát ra thành chùm có hướng truyền liên tục từ đèn đến khu vực mục tiêu. Các chùm ánh sáng tập trung hẹp được sử dụng để tạo ra một hệ thống phân cấp về mức độ quan trọng thông qua việc sử dụng độ tương phản, để làm nổi bật các tính năng chọn lọc khỏi nền và để thêm sự quan tâm cũng như sức hấp dẫn về mặt cảm xúc cho một đối tượng. Bộ đèn định hướng, bao gồm đèn rọi và đèn pha, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng chiếu sáng tạo điểm nhấn để tăng cường sự nổi bật hoặc làm nổi bật một yếu tố thiết kế. Chiếu sáng định hướng cũng được sử dụng trong các ứng dụng cần có chùm sáng cường độ cao để giúp hoàn thành các tác vụ trực quan đòi hỏi khắt khe hoặc để cung cấp ánh sáng tầm xa. Các sản phẩm phục vụ mục đích này bao gồm đèn nháy, đèn rọi, đèn theo dõi, đèn lái xe, đèn pha sân vận động, v.v. Một bộ đèn LED có thể tạo ra đủ ánh sáng mạnh mẽ, cho dù có tạo ra chùm sáng "cứng" được xác định rõ ràng để tạo hiệu ứng kịch tính cao với đèn LED COB hoặc chiếu một chùm sáng dài ra xa bằng đèn LED công suất cao.
5. Kỹ thuật quang phổ
Công nghệ LED cung cấp khả năng mới để kiểm soát sự phân bố công suất quang phổ (SPD) của nguồn sáng, có nghĩa là thành phần của ánh sáng có thể được điều chỉnh cho các ứng dụng khác nhau. Khả năng kiểm soát quang phổ cho phép quang phổ từ các sản phẩm chiếu sáng được thiết kế để thu hút các phản ứng cụ thể về thị giác, sinh lý, tâm lý, tế bào cảm quang của thực vật hoặc thậm chí cả máy dò bán dẫn (tức là máy ảnh HD) của con người hoặc sự kết hợp của các phản ứng đó. Hiệu suất quang phổ cao có thể đạt được thông qua việc tối đa hóa các bước sóng mong muốn và loại bỏ hoặc giảm các phần quang phổ gây hại hoặc không cần thiết cho một ứng dụng nhất định. Trong các ứng dụng ánh sáng trắng, SPD của đèn LED có thể được tối ưu hóa cho độ trung thực của màu được chỉ định và nhiệt độ màu tương quan (CCT). Với thiết kế đa kênh, nhiều bộ phát, màu sắc do đèn LED tạo ra có thể được điều khiển chủ động và chính xác. Các hệ thống trộn màu RGB, RGBA hoặc RGBW có khả năng tạo ra dải ánh sáng đầy đủ tạo ra khả năng thẩm mỹ vô hạn cho các nhà thiết kế và kiến trúc sư. Hệ thống trắng động sử dụng đèn LED đa CCT để cung cấp độ mờ ấm bắt chước các đặc tính màu của đèn sợi đốt khi bị mờ hoặc để cung cấp ánh sáng trắng có thể điều chỉnh cho phép kiểm soát độc lập cả nhiệt độ màu và cường độ ánh sáng. Hệ thống chiếu sáng lấy con người làm trung tâm dựa trên công nghệ LED trắng có thể điều chỉnh là một trong những động lực đằng sau phần lớn sự phát triển của công nghệ chiếu sáng mới nhất.
6. Bật/tắt công tắc
Đèn LED phát sáng ở độ sáng tối đa gần như ngay lập tức (tính bằng một chữ số đến hàng chục nano giây) và có thời gian tắt tính bằng hàng chục nano giây. Ngược lại, thời gian khởi động hoặc thời gian bóng đèn cần để phát ra hết ánh sáng của đèn huỳnh quang compact có thể kéo dài tới 3 phút. Đèn HID yêu cầu thời gian khởi động vài phút trước khi cung cấp ánh sáng có thể sử dụng được. Khởi động lại nóng là mối quan tâm lớn hơn nhiều so với khởi động ban đầu đối với đèn halogen kim loại, vốn từng là công nghệ chính được sử dụng cho chiếu sáng nhà xưởng và đèn pha công suất cao trong các cơ sở công nghiệp, sân vận động và đấu trường. Việc mất điện đối với một cơ sở có đèn halogen kim loại có thể ảnh hưởng đến an toàn và an ninh vì quá trình khởi động lại nóng của đèn halogen kim loại mất tới 20 phút. Khởi động tức thì và khởi động lại nóng giúp đèn LED ở một vị trí duy nhất để thực hiện hiệu quả nhiều tác vụ. Không chỉ các ứng dụng chiếu sáng chung được hưởng lợi rất nhiều từ thời gian đáp ứng ngắn của đèn LED, một loạt các ứng dụng đặc biệt cũng đang tận dụng khả năng này. Ví dụ: đèn LED có thể hoạt động đồng bộ với camera giao thông để cung cấp ánh sáng gián đoạn nhằm bắt xe đang di chuyển. Đèn LED bật nhanh hơn từ 140 đến 200 mili giây so với đèn sợi đốt. Ưu điểm về thời gian phản ứng cho thấy đèn phanh LED hiệu quả hơn đèn sợi đốt trong việc ngăn ngừa va chạm từ phía sau. Một ưu điểm khác của đèn LED trong hoạt động chuyển mạch là chu kỳ chuyển mạch. Tuổi thọ của đèn LED không bị ảnh hưởng bởi việc chuyển đổi thường xuyên. Trình điều khiển LED điển hình cho các ứng dụng chiếu sáng chung được xếp hạng cho chu kỳ chuyển đổi 50,000 và hiếm khi trình điều khiển LED hiệu suất cao có thể chịu được 100,000, 200,000 hoặc thậm chí 1 triệu chu kỳ chuyển mạch. Tuổi thọ của đèn LED không bị ảnh hưởng bởi chu kỳ nhanh (chuyển đổi tần số cao). Tính năng này làm cho đèn LED rất phù hợp với ánh sáng động và để sử dụng với các điều khiển ánh sáng như cảm biến chiếm dụng hoặc ánh sáng ban ngày. Mặt khác, bật/tắt thường xuyên có thể làm giảm tuổi thọ của đèn sợi đốt, đèn HID và đèn huỳnh quang. Những nguồn sáng này thường chỉ có vài nghìn chu kỳ chuyển đổi so với tuổi thọ định mức của chúng.
7. Khả năng làm mờ
Khả năng tạo ra ánh sáng phát ra theo cách rất năng động giúp đèn LED có thể điều chỉnh độ sáng một cách hoàn hảo, trong khi đèn huỳnh quang và đèn HID không phản ứng tốt với độ mờ. Đèn huỳnh quang làm mờ đòi hỏi phải sử dụng mạch điện đắt tiền, lớn và phức tạp để duy trì các điều kiện điện áp và kích thích khí. Đèn HID bị mờ sẽ dẫn đến tuổi thọ ngắn hơn và hỏng đèn sớm. Đèn halogen kim loại và đèn natri cao áp không thể giảm độ sáng xuống dưới 50 phần trăm công suất định mức. Chúng cũng phản ứng với các tín hiệu làm mờ chậm hơn đáng kể so với đèn LED. Có thể thực hiện làm mờ đèn LED thông qua giảm dòng điện không đổi (CCR), hay còn gọi là làm mờ tương tự hoặc bằng cách áp dụng điều chế độ rộng xung (PWM) cho đèn LED, làm mờ kỹ thuật số AKA. Tính năng làm mờ tương tự điều khiển dòng truyền động chạy qua các đèn LED. Đây là giải pháp làm mờ được sử dụng rộng rãi nhất cho các ứng dụng chiếu sáng chung, mặc dù đèn LED có thể không hoạt động tốt ở dòng điện rất thấp (dưới 10 phần trăm). Tính năng làm mờ PWM thay đổi chu kỳ hoạt động của điều chế độ rộng xung để tạo ra giá trị trung bình ở đầu ra của nó trên toàn dải từ 100 phần trăm đến 0 phần trăm . Điều khiển độ mờ của đèn LED cho phép điều chỉnh ánh sáng phù hợp với nhu cầu của con người, tiết kiệm năng lượng tối đa, cho phép trộn màu và điều chỉnh CCT, đồng thời kéo dài tuổi thọ của đèn LED.
8. Khả năng kiểm soát
Bản chất kỹ thuật số của đèn LED tạo điều kiện tích hợp liền mạch các cảm biến, bộ xử lý, bộ điều khiển và giao diện mạng vào hệ thống chiếu sáng để thực hiện các chiến lược chiếu sáng thông minh khác nhau, từ chiếu sáng động và chiếu sáng thích ứng cho đến bất cứ điều gì IoT mang lại tiếp theo. Khía cạnh động của ánh sáng LED bao gồm từ thay đổi màu đơn giản đến hiển thị ánh sáng phức tạp trên hàng trăm hoặc hàng nghìn nút chiếu sáng có thể điều khiển riêng lẻ và dịch nội dung video phức tạp để hiển thị trên hệ thống ma trận LED. Công nghệ SSL là trung tâm của hệ sinh thái rộng lớn gồm các giải pháp chiếu sáng được kết nối, có thể tận dụng khả năng thu hoạch ánh sáng ban ngày, cảm biến chiếm chỗ, kiểm soát thời gian, khả năng lập trình nhúng và các thiết bị kết nối mạng để điều khiển, tự động hóa và tối ưu hóa các khía cạnh khác nhau của hệ thống chiếu sáng. Việc di chuyển điều khiển chiếu sáng sang mạng dựa trên IP cho phép các hệ thống chiếu sáng thông minh, có nhiều cảm biến tương tác với các thiết bị khác trong mạng IoT. Điều này mở ra khả năng tạo ra một loạt các dịch vụ, lợi ích, chức năng và dòng doanh thu mới giúp nâng cao giá trị của hệ thống chiếu sáng LED. Việc điều khiển hệ thống chiếu sáng LED có thể được thực hiện bằng nhiều giao thức truyền thông có dây và không dây, bao gồm các giao thức điều khiển ánh sáng như 0-10V, DALI, DMX512 và DMX-RDM, các giao thức tự động hóa tòa nhà như BACnet, LON, KNX và EnOcean, và các giao thức được triển khai trên kiến trúc lưới ngày càng phổ biến (ví dụ: ZigBee, Z-Wave, Bluetooth Mesh, Thread).
9. Thiết kế linh hoạt
Kích thước nhỏ của đèn LED cho phép các nhà thiết kế vật cố tạo nguồn sáng thành các hình dạng và kích cỡ phù hợp cho nhiều ứng dụng. Đặc điểm vật lý này cho phép các nhà thiết kế tự do hơn trong việc thể hiện triết lý thiết kế của họ hoặc sáng tác các bản sắc thương hiệu. Tính linh hoạt do tích hợp trực tiếp các nguồn sáng mang lại khả năng tạo ra các sản phẩm chiếu sáng mang sự kết hợp hoàn hảo giữa hình thức và chức năng. Các thiết bị chiếu sáng LED có thể được chế tạo để làm mờ ranh giới giữa thiết kế và nghệ thuật cho các ứng dụng yêu cầu tiêu điểm trang trí. Chúng cũng có thể được thiết kế để hỗ trợ mức độ tích hợp kiến trúc cao và pha trộn trong bất kỳ bố cục thiết kế nào. Ánh sáng trạng thái rắn cũng thúc đẩy xu hướng thiết kế mới trong các lĩnh vực khác. Khả năng kiểu dáng độc đáo cho phép các nhà sản xuất xe thiết kế đèn pha và đèn hậu đặc biệt mang đến cho ô tô một diện mạo hấp dẫn.
10. Độ bền
Đèn LED phát ra ánh sáng từ một khối chất bán dẫn—chứ không phải từ bóng đèn hoặc ống thủy tinh, như trường hợp của đèn sợi đốt, halogen, huỳnh quang và HID cũ sử dụng dây tóc hoặc khí để tạo ra ánh sáng. Các thiết bị trạng thái rắn thường được gắn trên bảng mạch in lõi kim loại (MCPCB), với kết nối thường được cung cấp bởi các đầu hàn. Không có kính dễ vỡ, không có bộ phận chuyển động và không bị đứt dây tóc, hệ thống chiếu sáng LED do đó có khả năng chống sốc, rung và mài mòn cực cao. Độ bền trạng thái rắn của hệ thống chiếu sáng LED có giá trị rõ ràng trong nhiều ứng dụng. Trong một cơ sở công nghiệp, có những vị trí đèn bị rung quá mức từ máy móc lớn. Đèn được lắp đặt dọc theo đường và đường hầm phải chịu rung động lặp đi lặp lại do các phương tiện hạng nặng chạy qua với tốc độ cao. Rung động tạo nên ngày làm việc điển hình của đèn làm việc gắn trên các phương tiện, máy móc và thiết bị xây dựng, khai thác mỏ và nông nghiệp. Các loại đèn di động như đèn pin và đèn lồng cắm trại thường chịu tác động của việc đánh rơi. Ngoài ra còn có nhiều ứng dụng mà đèn bị hỏng gây nguy hiểm cho người sử dụng. Tất cả những thách thức này đòi hỏi một giải pháp chiếu sáng chắc chắn, đó chính xác là những gì mà hệ thống chiếu sáng trạng thái rắn có thể mang lại.
11. Tuổi thọ sản phẩm
Tuổi thọ cao nổi bật là một trong những ưu điểm hàng đầu của đèn LED, nhưng tuyên bố về tuổi thọ lâu dài hoàn toàn dựa trên thước đo tuổi thọ cho gói đèn LED (nguồn sáng) có thể gây hiểu nhầm. Thời gian sử dụng hữu ích của gói đèn LED, bóng đèn LED hoặc bộ đèn LED (đèn chiếu sáng) thường được coi là thời điểm mà công suất quang thông giảm xuống còn 70 phần trăm công suất ban đầu, hay L70. Thông thường, đèn LED (gói đèn LED) có tuổi thọ L70 trong khoảng từ 30000 đến 100000 giờ (ở độ Ta=85 ). Tuy nhiên, phép đo LM-80 được sử dụng để dự đoán tuổi thọ L70 của gói LED sử dụng phương pháp TM-21 được thực hiện với gói LED hoạt động liên tục trong các điều kiện vận hành được kiểm soát tốt (ví dụ: trong môi trường được kiểm soát nhiệt độ và được cung cấp với dòng điều khiển DC không đổi). Ngược lại, hệ thống đèn LED trong các ứng dụng trong thế giới thực thường gặp thách thức với ứng suất điện cao hơn, nhiệt độ tiếp giáp cao hơn và điều kiện môi trường khắc nghiệt hơn. Các hệ thống đèn LED có thể gặp phải tình trạng duy trì quang thông tăng tốc hoặc hỏng hoàn toàn sớm. Nói chung, đèn LED (bóng đèn, ống tuýp) có tuổi thọ L70 trong khoảng từ 10000 đến 25000 giờ, đèn điện LED tích hợp (ví dụ: đèn pha cao, đèn đường, đèn downlight) có tuổi thọ trong khoảng 30, 000 giờ và 60,000 giờ. So với các sản phẩm chiếu sáng truyền thống—đèn sợi đốt (750-2,000 giờ), halogen (3,000-4,000 giờ), đèn huỳnh quang compact (8,000-10 ,000 giờ) và halogen kim loại (7,500-25,000 giờ), hệ thống đèn LED, đặc biệt là các bộ đèn tích hợp, mang lại tuổi thọ sử dụng lâu hơn đáng kể. Do đèn LED hầu như không cần bảo trì nên chi phí bảo trì giảm cùng với mức tiết kiệm năng lượng cao từ việc sử dụng đèn LED trong suốt thời gian sử dụng kéo dài của chúng sẽ tạo cơ sở cho lợi tức đầu tư (ROI) cao.
12. An toàn quang sinh học
Đèn LED là nguồn sáng an toàn về mặt quang sinh học. Chúng không phát ra tia hồng ngoại (IR) và phát ra một lượng ánh sáng cực tím (UV) không đáng kể (dưới 5 uW/lm). Đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang và đèn halogen kim loại lần lượt chuyển đổi 73 phần trăm , 37 phần trăm và 17 phần trăm năng lượng tiêu thụ thành năng lượng hồng ngoại. Chúng cũng phát ra trong vùng UV của phổ điện từ—đèn sợi đốt (70-80 uW/lm), đèn huỳnh quang compact (30-100 uW/lm) và halogen kim loại (160-700 uW/lm) . Ở cường độ đủ cao, các nguồn sáng phát ra tia UV hoặc IR có thể gây nguy hiểm về mặt quang sinh học cho da và mắt. Tiếp xúc với bức xạ tia cực tím có thể gây đục thủy tinh thể (đục thủy tinh thể thông thường trong suốt) hoặc viêm giác mạc (viêm giác mạc). Tiếp xúc trong thời gian ngắn với bức xạ hồng ngoại ở mức độ cao có thể gây tổn thương nhiệt cho võng mạc của mắt. Tiếp xúc lâu dài với bức xạ hồng ngoại liều cao có thể gây đục thủy tinh thể cho thợ thổi thủy tinh. Sự khó chịu về nhiệt do hệ thống chiếu sáng sợi đốt gây ra từ lâu đã gây khó chịu trong ngành chăm sóc sức khỏe vì đèn phẫu thuật thông thường và đèn phẫu thuật nha khoa sử dụng nguồn sáng sợi đốt để tạo ra ánh sáng với độ trung thực màu cao. Chùm sáng cường độ cao được tạo ra bởi những bộ đèn này mang lại một lượng nhiệt năng lớn có thể khiến bệnh nhân rất khó chịu.
Không thể tránh khỏi, cuộc thảo luận về an toàn quang sinh học thường tập trung vào nguy cơ ánh sáng xanh, đề cập đến tổn thương quang hóa của võng mạc do tiếp xúc với bức xạ ở bước sóng chủ yếu trong khoảng từ 400 nm đến 500 nm. Một quan niệm sai lầm phổ biến là đèn LED có nhiều khả năng gây ra nguy cơ ánh sáng xanh hơn vì hầu hết đèn LED trắng chuyển đổi phốt pho đều sử dụng bơm đèn LED xanh lam. DOE và IES đã làm rõ rằng các sản phẩm LED không khác gì các nguồn sáng khác có cùng nhiệt độ màu về nguy cơ ánh sáng xanh. Đèn LED chuyển đổi phốt pho không gây rủi ro như vậy ngay cả theo các tiêu chí đánh giá nghiêm ngặt.
13. Hiệu ứng bức xạ
Đèn LED chỉ tạo ra năng lượng bức xạ trong phần nhìn thấy được của phổ điện từ từ khoảng 400 nm đến 700 nm. Đặc tính phổ này mang lại cho đèn LED một lợi thế ứng dụng có giá trị so với các nguồn sáng tạo ra năng lượng bức xạ nằm ngoài phổ ánh sáng khả kiến. Bức xạ UV và IR từ các nguồn sáng truyền thống không chỉ gây ra các mối nguy về quang sinh học mà còn dẫn đến sự xuống cấp của vật liệu. Bức xạ UV cực kỳ nguy hiểm đối với các vật liệu hữu cơ vì năng lượng photon của bức xạ trong dải quang phổ UV đủ cao để tạo ra các quá trình phân ly liên kết trực tiếp và quá trình oxy hóa quang. Kết quả là sự gián đoạn hoặc phá hủy chất mang màu có thể dẫn đến sự xuống cấp và biến màu của vật liệu. Các ứng dụng bảo tàng yêu cầu tất cả các nguồn sáng tạo ra tia cực tím vượt quá 75 uW/lm phải được lọc để giảm thiểu thiệt hại không thể khắc phục đối với tác phẩm nghệ thuật. IR không gây ra cùng loại thiệt hại quang hóa do bức xạ UV gây ra nhưng vẫn có thể góp phần gây ra thiệt hại. Việc tăng nhiệt độ bề mặt của vật thể có thể dẫn đến hoạt động hóa học và thay đổi vật lý tăng tốc. Bức xạ hồng ngoại ở cường độ cao có thể gây cứng bề mặt, đổi màu và nứt tranh, làm hỏng mỹ phẩm, làm khô rau và trái cây, chảy sô cô la và bánh kẹo, v.v.
14. An toàn phòng chống cháy nổ
Nguy cơ hỏa hoạn và phơi sáng không phải là đặc điểm của hệ thống chiếu sáng LED vì đèn LED chuyển đổi năng lượng điện thành bức xạ điện từ thông qua phát quang điện trong gói bán dẫn. Điều này trái ngược với các công nghệ cũ tạo ra ánh sáng bằng cách đốt nóng dây tóc vonfram hoặc bằng cách kích thích môi trường khí. Lỗi hoặc vận hành không đúng cách có thể dẫn đến cháy hoặc nổ. Đèn halogen kim loại đặc biệt dễ có nguy cơ cháy nổ vì ống hồ quang thạch anh hoạt động ở áp suất cao (520 đến 3.100 kPa) và nhiệt độ rất cao (900 đến 1.100 độ). Hư hỏng ống hồ quang không thụ động gây ra bởi các điều kiện cuối tuổi thọ của đèn, do hỏng chấn lưu hoặc do sử dụng tổ hợp chấn lưu-đèn không phù hợp có thể gây ra vỡ bóng đèn bên ngoài của đèn halogen kim loại. Các mảnh thạch anh nóng có thể đốt cháy các vật liệu dễ cháy, bụi dễ cháy hoặc khí/hơi dễ nổ.
15. Giao tiếp bằng ánh sáng nhìn thấy (VLC)
Đèn LED có thể được bật và tắt ở tần số nhanh hơn mắt người có thể phát hiện được. Khả năng bật/tắt vô hình này mở ra một ứng dụng mới cho các sản phẩm chiếu sáng. Công nghệ LiFi (Light Fidelity) đã nhận được sự chú ý đáng kể trong ngành truyền thông không dây. Nó tận dụng các chuỗi đèn LED "BẬT" và "TẮT" để truyền dữ liệu. So với các công nghệ liên lạc không dây hiện tại sử dụng sóng vô tuyến (ví dụ: Wi-Fi, IrDA và Bluetooth), LiFi hứa hẹn băng thông rộng hơn hàng nghìn lần và tốc độ truyền cao hơn đáng kể. LiFi được coi là một ứng dụng IoT hấp dẫn do tính phổ biến của ánh sáng. Mọi đèn LED đều có thể được sử dụng làm điểm truy cập quang học để truyền dữ liệu không dây, miễn là trình điều khiển của nó có khả năng chuyển đổi nội dung phát trực tuyến thành tín hiệu kỹ thuật số.
16. Chiếu sáng một chiều
Đèn LED là thiết bị điều khiển dòng điện, điện áp thấp. Bản chất này cho phép hệ thống chiếu sáng LED tận dụng lợi thế của lưới điện phân phối dòng điện một chiều (DC) điện áp thấp. Có mối quan tâm ngày càng tăng đối với các hệ thống lưới điện siêu nhỏ DC có thể hoạt động độc lập hoặc kết hợp với lưới điện tiện ích tiêu chuẩn. Những lưới điện quy mô nhỏ này cung cấp các giao diện cải tiến với các máy phát năng lượng tái tạo (năng lượng mặt trời, gió, pin nhiên liệu, v.v.). Nguồn DC có sẵn tại địa phương giúp loại bỏ nhu cầu chuyển đổi nguồn AC-DC cấp thiết bị gây tổn thất năng lượng đáng kể và là điểm hỏng hóc phổ biến trong các hệ thống đèn LED được cấp nguồn AC. Đổi lại, hệ thống chiếu sáng LED hiệu quả cao sẽ cải thiện khả năng tự chủ của pin sạc hoặc hệ thống lưu trữ năng lượng. Khi giao tiếp mạng dựa trên IP đạt được đà phát triển, Cấp nguồn qua Ethernet (PoE) nổi lên như một tùy chọn lưới điện siêu nhỏ công suất thấp để cung cấp nguồn DC điện áp thấp qua cùng một cáp cung cấp dữ liệu Ethernet. Hệ thống chiếu sáng LED có những lợi thế rõ ràng để tận dụng thế mạnh của việc cài đặt PoE.
17. Hoạt động ở nhiệt độ lạnh
Ánh sáng LED vượt trội trong môi trường nhiệt độ lạnh. Đèn LED chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng quang thông qua quá trình phun điện phát quang được kích hoạt khi điốt bán dẫn được phân cực điện. Quá trình khởi động này không phụ thuộc vào nhiệt độ. Nhiệt độ môi trường xung quanh thấp tạo điều kiện tản nhiệt thải ra từ đèn LED và do đó giúp chúng không bị rủ xuống nhiệt (giảm công suất quang ở nhiệt độ cao). Ngược lại, hoạt động ở nhiệt độ lạnh là một thách thức lớn đối với đèn huỳnh quang. Để khởi động đèn huỳnh quang trong môi trường lạnh, cần có điện áp cao để khởi động hồ quang điện. Đèn huỳnh quang cũng mất một lượng đáng kể công suất ánh sáng định mức ở nhiệt độ dưới mức đóng băng, trong khi đèn LED hoạt động tốt nhất trong môi trường lạnh—thậm chí xuống đến -50 độ . Do đó, đèn LED rất phù hợp để sử dụng trong tủ đông, tủ lạnh, kho lạnh và các ứng dụng ngoài trời.
18. Tác động môi trường
Đèn LED tạo ra các tác động môi trường ít hơn đáng kể so với các nguồn chiếu sáng truyền thống. Tiêu thụ năng lượng thấp có nghĩa là lượng khí thải carbon thấp. Đèn LED không chứa thủy ngân và do đó tạo ra ít biến chứng môi trường hơn khi hết tuổi thọ. Để so sánh, việc xử lý đèn huỳnh quang và đèn HID có chứa thủy ngân liên quan đến việc sử dụng các quy trình xử lý chất thải nghiêm ngặt.
Nhược điểm và thách thức của chiếu sáng LED
Đừng phấn khích trước vô số lợi ích do ánh sáng LED mang lại. Mặc dù công nghệ này chắc chắn là một thành tựu mang tính bước ngoặt trong lịch sử chiếu sáng điện, nhưng nó cũng đặt ra các vấn đề của riêng nó. Ngành công nghiệp chiếu sáng đang phải đối mặt với một thách thức ở mức độ chưa từng có trước đây. Ánh sáng trạng thái rắn đã thay đổi triết lý thiết kế và kỹ thuật. Hệ thống chiếu sáng không còn là đèn chiếu sáng ngu ngốc nữa, chúng đã phát triển thành thiết bị điện tử công suất. Nói cách khác, việc thiết kế hệ thống chiếu sáng phức tạp chưa từng thấy. Đèn LED là nguồn sáng bán dẫn tự phát nhiệt, nhạy cảm với dòng điện và có cường độ sáng cao. Điều này dẫn đến mối quan tâm lớn nhất đối với Chiếu sáng LED—hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống đèn LED phụ thuộc rất nhiều vào công việc đa chiều. Các số liệu về gói đèn LED chỉ là một khía cạnh của thiết kế tổng thể và kỹ thuật hệ thống của hệ thống chiếu sáng LED. Nhiều yếu tố phụ thuộc lẫn nhau khác phát huy tác dụng, bao gồm quản lý nhiệt, điều chỉnh dòng truyền động và điều khiển quang học.
Các chuyên gia về ghế bành thường tổng hợp một danh sách dài các nhược điểm của đèn LED. Và để làm cho câu chuyện trở nên giật gân, họ sẽ không bao giờ quên đề cập rằng ánh sáng LED có thể gây ra nguy cơ ánh sáng xanh. Ánh sáng trắng về cơ bản là hỗn hợp các bước sóng từ các dải màu khác nhau. Tất cả những người da trắng có cùng màu sắc, bất kể nguồn sáng mà ánh sáng được phát ra từ đâu, đều có tỷ lệ bước sóng màu xanh da trời gần như giống nhau trên quang phổ nhìn thấy được. Sự xuất hiện màu sắc của ánh sáng trắng có thể được đặc trưng là có nhiệt độ màu tương quan (CCT). Nội dung màu xanh lam của nguồn sáng thường tương ứng với CCT của nó. CCT càng cao thì tỷ lệ bước sóng xanh càng cao. Trong cùng điều kiện độ sáng và độ rọi, bức xạ xanh lam từ sản phẩm LED 3000 K thấp bằng bức xạ từ đèn sợi đốt 3000 K và bức xạ xanh lam từ sản phẩm LED 6000 K cao bằng bức xạ từ đèn huỳnh quang 6000 K. Cũng như các nguồn sáng khác, nguy cơ ánh sáng xanh hiếm khi là mối lo ngại đối với đèn LED trắng. Khả năng thiết kế thành phần quang phổ của ánh sáng trắng là một lợi thế rất lớn của công nghệ LED. Với ánh sáng LED, có thể tạo ra bất kỳ thành phần quang phổ nào của ánh sáng góp phần tích cực vào sức khỏe và hạnh phúc của con người. Chiếu sáng lấy con người làm trung tâm, một xu hướng công nghệ chính đang thúc đẩy sự phát triển của ngành chiếu sáng, khai thác khả năng điều chỉnh CCT của các hệ thống đèn LED để điều chỉnh lượng bức xạ xanh lam cho phổ ánh sáng trắng khỏe mạnh.
Trên thực tế, ánh sáng LED chỉ có một vài nhược điểm nội tại.
Điểm yếu nổi tiếng nhất của đèn LED là đèn LED tạo ra sản phẩm phụ là nhiệt. Đèn LED được gọi là thiết bị bán nhiệt vì chúng tạo ra nhiệt bên trong gói thiết bị—chứ không phải tỏa nhiệt dưới dạng năng lượng hồng ngoại. Khoảng một nửa năng lượng điện cung cấp cho đèn LED được chuyển thành nhiệt, nhiệt này phải được dẫn và đối lưu thông qua đường dẫn nhiệt vật lý. Việc không duy trì nhiệt độ điểm nối của thiết bị dưới một giới hạn đã đặt có thể đẩy nhanh động học của các cơ chế hỏng hóc như tạo ra và phát triển khuyết tật nguyên tử trong vùng hoạt động của đi-ốt, quá trình cacbon hóa và ố vàng của chất đóng gói cũng như sự đổi màu của vỏ gói nhựa. Vượt quá nhiệt độ đường giao nhau định mức tối đa, tuổi thọ của đèn LED sẽ giảm từ 30 phần trăm đến 50 phần trăm cho mỗi lần nhiệt độ đường giao nhau tăng 10 độ C.
Điều chưa biết nhất và cũng là điểm yếu lớn nhất của đèn LED là đèn LED là thiết bị điện tử công suất tinh vi. Chúng cực kỳ kén chọn thức ăn của mình—dòng điện. Đối với đèn LED, độ nhạy cao của chúng đối với dòng điện thuận là con dao hai lưỡi. Nó mang lại cho hệ thống chiếu sáng khả năng điều khiển vượt trội nhưng cũng khiến việc điều chỉnh dòng điện trở nên vô cùng khó khăn. Một sự thay đổi rất nhỏ trong dòng điện sẽ làm cho đầu ra ánh sáng dao động. Đèn LED là thiết bị điều khiển DC, tuy nhiên chúng thường phải được cấp nguồn bằng nguồn điện AC. Việc triệt tiêu không hoàn toàn dạng sóng xoay chiều sau khi chỉnh lưu có thể dẫn đến gợn sóng dư (biến thiên định kỳ dư) ở đầu ra dòng điện từ trình điều khiển đến đèn LED. Gợn sóng này làm cho đèn LED nhấp nháy ở tần số gấp đôi của điện áp đường dây đến, tức là 100Hz hoặc 120Hz. Sự phụ thuộc lẫn nhau về điện và nhiệt của đèn LED cũng làm tăng thêm độ phức tạp cho việc điều chỉnh tải. Khi nhiệt độ đường giao nhau tăng, điện áp chuyển tiếp giảm, năng lượng điện cung cấp cho đèn LED cũng giảm. Mặt khác, dòng truyền động càng cao thì nhiệt thải sinh ra ở khuôn bán dẫn càng lớn. Việc điều chỉnh quá mức công suất được xếp hạng của đèn LED có thể dẫn đến hỏng đèn LED sớm do thoát nhiệt. Tuy nhiên, mối đe dọa gây hại nhất đối với đèn LED đến từ hiện tượng quá tải điện (EOS). EOS xảy ra khi dòng điện hoặc điện áp của biến tần vượt quá giá trị định mức tối đa của thành phần. Có nhiều nguồn có thể gây ra quá ứng suất điện, bao gồm phóng điện tĩnh điện (ESD), dòng điện khởi động hoặc các loại xung điện nhất thời khác. Do đó, tính dễ bị tổn thương của đèn LED đối với các loại ứng suất điện khác nhau đòi hỏi phải điều chỉnh chặt chẽ dòng truyền động.
Nhược điểm thứ ba là đèn LED có mật độ từ thông cao. Các nguồn sáng tập trung của ánh sáng định hướng có khả năng tạo ra ánh sáng chói. Độ chói cao trong trường nhìn cản trở việc nhìn (lóa do khuyết tật) hoặc gây cảm giác khó chịu hoặc đau (lóa khó chịu). Các quang học bổ sung để giảm chói có thể được tích hợp vào thiết kế đèn điện, nhưng chúng thường dẫn đến suy hao quang học cao.
Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng, sự phức tạp ngày càng tăng của thiết kế hệ thống dẫn đến chi phí đầu tiên của các sản phẩm LED cao hơn khi so sánh với các sản phẩm chiếu sáng cũ. Điều này làm cho việc tối ưu hóa chi phí trở thành một phần quan trọng trong quy trình thiết kế đèn điện. Khi áp lực chi phí lớn hơn hiệu suất và độ tin cậy của sản phẩm, một loạt các vấn đề sẽ phát sinh.
