Chiếu sáng bằng LED: Hướng tiết kiệm điện lâu dài

Khi nóng, vonfram bị bốc hơi, nhỏ đi điện trở tăng lên, lại càng nóng hơn và dễ dẫn đến đứt. Tuổi thọ đèn này cỡ 1000 giờ.

2. Đèn halogen

Loại đèn này thực chất là đèn sợt đốt nhưng làm bằng thủy tinh chịu nhiệt hay thạch anh trong có khí thuộc họ halogen. Khi dây vônfram bị đốt nóng bay hơi, hơi vônfram lại quay lại bám vào dây, chỗ nào dây nhỏ, nóng thì hơi vônfram lại bám vào nhiều hơn. Nhờ đó bóng có thể làm nhỏ và dây tóc làm việc ở nhiệt độ cao, ánh sáng phát ra mạnh, có khi đến 9% năng lượng điện tiêu thụ biến ra ánh sáng. Tuổi thọ của đèn có thể đến 2000 giờ.

Một bóng đèn halogen 60W có độ sáng tương đương với bóng đèn sợi đốt thường 100W. Bóng thường được dùng ở đèn trước của ôtô, đèn chiếu ...

Bóng đèn rất nóng, cấu tạo phức tạp, vật liệu cao cấp hơn so với bóng đèn sợi đốt thường, giá thành cao.

3. Đèn hơi natri

Là loại đèn phát sáng nhờ hiện tượng phóng điện trong chất khí. Có hai loại: đèn áp suất thấp và đèn áp suất cao.

- Đèn hơi natri áp suất thấp (đèn thấp áp)

Gồm bóng thủy tinh ở bên ngoài, mặt trong của bóng thủy tinh này có phủ một lớp oxyt inđi. Lớp này ngăn cản làm cho tia hồng ngoại (nhiệt) phản xạ lại còn ánh sáng nhìn thấy thì xuyên qua dễ dàng. Bên trong bóng thủy tinh có một ống hình chữ U có hai điện cực và nạp khí trơ như neon, argom và một ít natri. Tạo điện khí kích thích cho hỗn hợp khí trong ống chữ U phóng điện ban đầu chỉ phát ra ánh sáng màu hồng, hỗn hợp khí hơi bị nóng lên làm cho natri biến thành hơi natri. Hơi natri này bị phóng điện kích thích phát ra ánh sáng màu vàng. Nhờ lớp oxyt inđi nên nhiệt không tỏa ra ngoài mà quay lại làm cho hơi natri dễ phát sáng hơn. Nhờ đó đèn natri có độ phát sáng cao tuổi thọ đến 18.000 giờ.

Đèn natri cho ánh sáng màu vàng thích hợp cho việc làm đèn đường chiếu sáng công cộng, vì màu vàng là màu mắt nhạy cảm nhất.

- Đèn hơi natri áp suất cao (đèn cao áp)

Đèn gồm có ống thạch anh nhỏ, có hai điện cực ở hai đầu, bên trong có hỗn hợp thủy ngân và natri. Khi tạo ra phóng điện giữa hai cực, nhiệt độ trong ống tăng lên dần làm cho điện trở của ống khí giữa hai cực giảm, dòng điện qua ống lại tăng, nhiệt độ trong ống lại tăng thêm nữa. Nhờ bố trí chấn lưu nên dòng điện trong ống chỉ tăng đến một mức giới hạn đủ để áp suất hơi trong ống khá cao, ánh sáng phát ra khá mạnh. Sự phóng điện của hỗn hợp thủy ngân và natri ở áp suất cao cho ra ánh sáng vàng xanh thích hợp cho chiếu sáng quãng trường, đường xá ở thành phố.

Đèn cao áp có cấu tạo phức tạp, giá tiền cao nhưng rất sáng và tuổi thọ bền, cỡ 20.000 giờ.

4. Đèn huỳnh quang

Đèn bắt đầu được dùng từ những năm 1940.

Thường gọi là đèn ống vì có cấu tạo là một ống thủy tinh hàn kín, hai đầu có điện cực và trong ống có khí trơ neon và vài giọt thủy ngân. Bên trong thành ống thủy tinh có phủ một lớp mỏng bột chất huỳnh quang. Nhờ hai bộ phận bên ngòai là tắcte và chấn lưu, có thể mồi cho ống khí neon phóng điện kéo theo thủy ngân bay hơi lên, tia tử ngoại phát ra. Tia tử ngoại này kích thích bột huỳnh quang ở thành ống phát ra ánh sáng nhìn thấy. Màu sắc của đèn huỳnh quang phụ thuộc chất lượng của bột huỳnh quang.

Theo cơ chế này nên đèn huỳnh quang rất ít toả nhiệt, khoảng từ 15 - 25% năng lượng điện tiêu thụ được biến thành ánh sáng, tuổi thọ có thể đến 10.000 giờ.

Đèn huỳnh quang có nhược điểm là cồng kềnh, cơ chế mồi cho phóng điện phức tạp, không tăng giảm độ sáng được và tắt mở nhiều lần thì đèn chóng hỏng.

5. Đèn compact

Về bản chất, đèn compact là đèn huỳnh quang cải tiến. Về hình dạng người ta không làm thành ống dài mà làm gọn lại, hình chữ U hoặc hình xoắn, có đui cài hoặc đui xoáy như ở bóng đèn sợi đốt. Loại mới, phổ biến hiện nay thì tắcte và chấn lưu được thay bằng bộ mồi điện tử, gọn nhẹ để gọn vào trong đui đèn. Cải tiến cơ bản ở đèn compact là chất liệu ở lớp huỳnh quanh phủ ở bên trong đui đèn. Không những chất liệu phát sáng cao hơn nhưng lại phủ thành nhiều lớp tận dụng được nhiều hơn tia tử ngoại. Một đèn compact 11W sáng bằng đèn sợi đốt 60W, tuổi thọ cỡ 10.000 giờ.

Ưu việt của đèn compact rất rõ nên đã hàng chục năm nay trên thế giới đã có phong trào kêu gọi tiết kiệm điện bằng cách dùng đèn compact. Tuy nhiên đèn compact có một số nhược điểm: cần điện thế  cao để mồi cho phóng điện phát sáng, thời gian từ tắt chuyển sang bật sáng lâu, không thích hợp cho việc thay đổi đóng ngắt nhiều lần.

Trong đèn huỳnh quang cũng như đèn compact luôn có thuỷ ngân, tuy ít nhưng là chất dễ bay hơi, rất độc hại, dễ phân tán vào môi trường gây ô nhiễm đường hô hấp. Ở các nước tiên tiến có yêu cầu nhà máy làm đèn huỳnh quang, đèn compăc phải thu hồi sản phẩm đèn hỏng để tái chế, chủ yếu là thu lại thuỷ ngân không để phân tán.

Các loại đèn chiếu sáng trình bày ở trên mỗi loại đèn có ưu nhược điểm riêng. Hiểu biết được nguyên lý hoạt động ta dễ dàng phân tích, so sánh phạm vi ứng dụng của từng loại đèn.

Tuy nhiên, có thể nói trong sử dụng đại trà đèn sợi đốt có nhiều nhược điểm nhất và đèn compact có ưu điểm nhất. Chính phủ Úc đã quyết định đến năm 2010 sẽ không dùng bóng đèn sợi đốt để thắp sáng nữa.

Nhưng có phải đèn compact có nhiều ưu điểm nhất hay không? Trong phần tới chúng ta sẽ thấy đèn LED gần đây phát triển có những ưu điểm và không có những nhược điểm của hầu hết các đèn nói trên.

III. Đèn LED, loại đèn chiếu sáng hiện đại nhất

LED là ghép ba chữa đầu của cụm từ tiếng Anh Light emiting diode nghĩa là điôt phát sáng. Phần chủ yếu của LED là một mảnh nhỏ chất bán dẫn có pha tạp chất sao cho trong đó tạo ra được hai miền: Miền p dẫn điện bằng lỗ trống (hạt tải mang điện dương) và miền n dẫn điện bằng điện tử (hạt tải mang điện âm), giữa hai miền là lớp tiếp xúc p - n. Giống như điôt (đèn hai cực chỉnh lưu bán dẫn) dòng điện dễ dàng đi từ miền P sang miền n (đi theo chiều thuận) chứ không đi được theo chiều ngược lại. Khi nối điện đi theo chiều thuận lỗ trống và điện tử bị đẩy theo hai chiều ngược nhau, chúng gặp nhau ở lớp tiếp xúc p - n, tổ hợp lại và phát ra ánh sáng. Tuỳ theo các mức năng lượng ở hai bán dẫn tiếp xúc, ánh sáng phát ra có một màu xác định.

Ban đầu, vào những năm 1960 người ta mới làm được LED hồng ngoại và LED màu đỏ. Dần dần làm được LED màu vàng và màu da cam. Những LED này rất nhỏ gọn, chỉ to bằng hạt đỗ xanh, dùng làm đèn chỉ thị rất tốt vì gọn ít tốn điện, công suất chỉ cỡ 0,01W có hiệu quả như đèn sợi đốt công suất vài trăm lần lớn hơn. Bắt đầu từ những năm 1970 hầu hết đèn màu chỉ thị, báo hiệu ở máy móc thiết bị đều được thay thế bằng đèn LED màu.

Người ta nghĩ rằng nếu có cách nào để có đèn LED phát ra ánh sáng trắng để chiếu sáng thì vô cùng có lợi. Nhưng về nguyên tắc, ánh sáng ở mỗi đèn LED phát ra do sự nhảy từ hai mức năng lượng nhất định ở hai bán dẫn tiếp xúc nhau của đèn LED đó, vì vậy mỗi LED chỉ cho một màu xác định. Không thể tạo ra nhiều mức năng lượng gần nhau để LED đồng thời phát ra nhiều màu tạo thành màu trắng.

Nhưng đến năm 1993 Shuji Nakamura đã chế tạo được đèn LED cho ánh sáng xanh lam rất sáng đã hé mở ra nhiều cách từ LED tạo ra ánh sáng trắng. Một số cách chủ yếu như sau:

- Dùng ba LED màu đỏ, lục, lam (RGB - red,  green, blue), trộn bao màu lại với nhau, có được ánh sáng trắng.

- Dùng LED màu lam có phủ lớp photpho mỏng. Ánh sáng màu lam do LED phát ra kích thích photpho phát ra hai màu đỏ và lục. Hai màu này cộng với màu lam còn lại sau khi truyền qua lớp photpho cho ra màu trắng vì đó chính là tổ hợp RGB cộng lại.

- Dùng LED phát ra tử ngoại, chiếu vào phôtpho để kích thích phát ra ánh sáng trắng tương tự như ở đèn compact.

- Dùng OLED tức là LED hữu cơ. Vì là chất hữu cơ nên dễ tạo ra trong đó những hạt phát ra ánh sáng lục, ánh sáng đỏ và ánh sáng lam. Tổng hợp ánh sáng phát ra từ ba loại hạt đó cho ra ánh sáng trắng.

- Hiện nay cách dùng LED màu lam có phủ lớp phôtpho để cho ánh sáng màu lục và màu đỏ cộng lại thành ánh sáng trắng là đơn giản, phổ cập, có hiệu quả hơn cả. Hầu hết LED trắng đang dùng hiện nay là được chế tạo theo cách này. Tuy nhiên nhiều cách chế tạo LED trắng khác đang được đẩy mạnh nghiên cứu nhằm làm cho cách chiếu sáng bằng LED có nhiều ưu việt hơn.

- Theo đánh giá của nhiều chuyên gia mục tiêu  về hiệu suất năng lượng của đèn chiếu sáng LED trắng sẽ đạt được là 200 – 300 lm/W (kể cả ballast).