ความรู้ทั่วไปเกี่ยวกับ หลอดไฟ LED และ วิวัฒนาการของหลอดไฟ LED

LED คือ อะไร? 

ประวัติความเป็นมาของ LED

LED หรือ หลอดไฟ LED นั้นมีมานานแล้ว เริ่มปรากฎในแผงวงจรครั้งแรกเมื่อปี 1962 ซึ่งโดยช่วงแรกๆนั้น LED ให้ความเข้มแสงไม่มากนักและมีใช้ในเฉพาะความถี่ในช่วงแสง Infra-Red ที่ไม่สามารถมองเห็นด้วยตาเปล่าได้(ซึ่งเรายังคงเห็นรูปแบบการใช้งานในช่วงแสง Infra-Red นี้ตามอุปกรณ์ประเภทรีโมทคอนโทรลในเครื่องใช้ไฟฟ้าตามบ้านเรือนจนปัจจุบัน) ต่อมา หลอดLED ถูกพัฒนาให้สามารถเปล่งแสงที่มองเห็นได้โดยแสงสีแดงเป็นสีแรกถูกคิดค้นขึ้นได้ก่อนแต่ทว่าช่วงเริ่มต้นนั้นก็ยังมีความเข้มแสงต่ำอยู่ยังนำเอามาใช้ประโยชน์ได้ไม่มากนัก
            นักวิทยาศาตร์และนักวิจัยก็พัฒนา LED เรื่อยมาจนกระทั่งสามารถให้สร้าง หลอด LED ที่มีแสงครอบคลุมย่านความถี่ตั้งแต่ infrared คือแสงที่มองห็นได้ (visible light)ไปจนถึงย่าน ultra violet หรือ UV ที่มองไม่เห็น ต่อจากนั้นไม่นาน หลอด LED ก็ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในอุปกรณ์ไฟแสดงตามแผงควบคุมเพื่อบอกสัญญาณ และใช้ในไฟแสดงตัวเลข seven segment และนาฬิกาดิจิตอล ต่อมา หลอดLED ก็ถูกพัฒนาขึ้นอีก ให้ประสิทธิภาพด้านให้ความเข้มแสงหรือความสว่างมากขึ้น จนสามารถนำเอา LED มาใช้งานในการแสดงสัญญาณ ไฟสัญญาณสำหรับการบิน ไฟสัญญาณจราจร และด้วยเหตุผลที่LED มีข้อดีในหลายๆด้านไม่ว่าจะเป็นด้านประหยัดพลังงาน ด้านการใช้งานได้นานขึ้น มีการบำรุงรักษาที่ต่ำ ความทนของตัวหลอดเอง และขนาดก็เล็กมากเมื่อเทียบกับหลอดไส้อย่างเดิม ทั้งยังปิดเปิดควบคุมง่ายขึ้นแล้ว นักวิจัยและบริษัทต่างๆจึงมุ่งเน้นพัฒนาประสิทธิภาพด้านความเข้มแสงหรือความสว่างให้สูงขึ้นไปอีก เพื่อหวังที่จะนำเอา หลอดLED มาใช้เป็นไฟฟ้าแสงสว่างในชีวิตประจำวันเพื่อทดแทนหลอดไฟแบบที่มีใช้อยู่ทั่วไปในปัจจุบัน แต่ทว่าในขณะนั้นก็ติดปัญหาเรื่องการทำให้ หลอดLED มีแสงสีขาวเหมือนหลอดไฟทั่วไปไม่ได้

ผ่านมาเกือบ 30 ปีจนกระทั่งในปี 1990 นักวิทยาศาตร์ชาวญี่ปุ่น 3 คนได้ร่วมกันพัฒนาจนสามารถทำให้ LED เปล่งแสงสีน้ำเงินได้ซึ่งต่อมาก็คือพื้นฐานของแสงสีขาวได้สำเร็จ ซึ่งต่อมาภายหลังนักวิทยาศาตร์ชาวญี่ปุ่น 3 คนทั้งนี้ได้รับการยกย่องและได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ในปี 2014 ในฐานะเป็นผู้คิดค้นสิ่งประดิษฐ์ทำให้เกิดการปฏิวัติด้านไฟฟ้าแสงสว่างและการใช้พลังงานทั้งโลกศตวรรษที่ 21

หลอด LED ในปัจจุบันและอนาคต
ในปัจจุบันหลอด LED เริ่มถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายไม่ว่าจะเป็น ไฟฟ้าแสงสว่างทั่วไปหรือไฟแสงสว่างรถยนต์ แต่ก็ยังติดปัญหาด้านต้นทุนการผลิตอยู่ (ในขณะนั้น) แต่ในอนาคตอีกไม่นานเมื่อต้นทุนในการผลิตหลอดไฟLEDต่ำลงเรื่อยๆ หลอดไฟLED จะถูกนำมาทดแทนหลอดไฟในปัจจุบัน ไม่ต่างจากการเข้ามาของฟลูออเรสเซนต์ เพื่อมาทดแทนหลอดไส้เหมือนช่วง30ปีที่ผ่านมา (ปัจจุบัน 2562 เกิดขึ้นแล้ว)

หลักการทำงานของ LED
เมื่อ หลอด LED กำลังเข้ามาเป็นส่วนหนึ่งในชีวิตประจำวันของทุกคนอย่างไม่มีทางหลีกเลี่ยงได้ ดังนั้นการเข้าใจและรู้หลักการทำงาน LED จึงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับเรา

LED ย่อมาจาก Light Emitting Diode

L-Light แสง

E-Emitting เปล่งประกาย

D-Diodeไดโอด
แปลรวมกัน ก็คือ ไดโอดชนิดเปล่งแสง

ไดโอด (Diode) คือ อุปกรณ์กึ่งตัวนำ (Semi Conductor Device) ที่ให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้ทางเดียว ไดโอดเป็นอุปกรณ์พื้นฐานที่สำคัญในวงจรไฟฟ้า มีใช้อยู่ทั่วไปในวงจรอิเลคทรอนิกส์และวงจรไฟฟ้าเพื่อทำหน้าที่บังคับทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้า ไดโอดโดยทั่วไปแล้วไม่เปล่งแสงออกมา มีสัญลักษณ์ทางวงจรคือ 

 ส่วนไดโอดที่เปล่งแสงหรือ LED มีสัญลักษณ์ทางวงจรคือ 

ต่างกันนิดหน่อยตรงที่ไม่มีลูกศรแสดงการเปล่งแสงกับไม่มี

ประเภทของ LED

LED จำแนกออกเป็นประเภทต่างๆ ดังนี้

1.LED แบบดั้งเดิม

กำลังวัตต์น้อย ขนาดหรือรูปร่างหรือสีขึ้นอยู่กับพลาสติกที่ใช้ทำเปลือกหุ้มใช้ทำไฟสัญลักษณ์ในวงจร

2.LED ขนาดเล็กมาก

ใช้เทคโนโลยีการเชื่อมเม็ด LED ติดลงไปกับแผงวงจรหรือที่เรียกว่า Surface Mounting Technology (SMT) ซึ่งเป็นวิธีการเดียวกับการประกอบชิ้นส่วนอิเลคโทรนิคและsemi-conductorขนาดเล็ก ในบางครั้งก็เรียก LED ชนิดนี้ว่า Surface Mounting Device LED หรือ SMD LED

3.LED กำลังสูง

LED กำลังสูง หรือ Hi-power LED เป็น LED ชนิดที่ให้กำลังสูง ให้ความสว่างมาก ต้องการกระแสขับสูงถึง 100mA บางรุ่นอาจต้องการกระแสขับถึง 1A ดังนั้นการระบายความร้อนสำหรับ LED ชนิดนี้จึงเป็นสิ่งสำคัญ ถ้าระบายความร้อนไม่ดีอาจจะทำให้พังหรือเสียในภายในไม่กี่วินาที
LED ชนิดนี้ส่วนใหญ่จะใช้ทำอุปกรณ์ให้แสงสว่างหรือจะเข้ามาทดแทนหลอดไฟที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน

การต่อวงจร ด้วยภายในไดโอดเปล่งแสงหรือ LED มีค่าความต้านทานอยู่ค่าหนึ่ง(Rd) จะทำให้แสงเปล่งออกมาได้ต้องมีกระแส (I) ไหลผ่านที่มากพอแต่ต้องไม่มากจนเกินไป การควบคุมกระไหลผ่าน LED ให้พอดี เราจึงจำเป็นต้องทราบคุณสมบัติที่สำคัญ 2 อย่างของ LED คือ
  1. แรงดันตกคร่อมเมื่อมีกระแสไหลผ่าน (Forword Valtage:Vf)
  2. กระแสที่ LED ต้องการ (Imax)
ส่วนสิ่งที่เราต้องคำนวณหาคือ R ภายนอกที่มาต่อเพิ่ม เพื่อจำกัดกระแส และแรงดันสำหรับจ่ายไฟซึ่งเราทราบอยู่แล้ว
วิธีการหาค่า R ใช้สูตรง่ายๆ กฏของโอห์ม
V=IR
V=(Vdc-Vf)
ดังนั้น R=(Vdc-Vf)/I โอห์ม
            การต่อวงจรของ LED ไม่มีอะไรซับซ้อน เพียงจ่ายไฟบวกกระแสตรงเข้าที่ขา อาร์โนด (Anode) หรือขาที่ยาวกว่า และต่อไฟลบเข้ากับขา แคโธด(Cathode)หรือขาสั้น และต่ออนุกรมวงจรด้วย R ภายนอกที่เราคำนวณมาได้ ดังรูปข้างล่าง

ตัวต้านทานหรือ R ภายนอกที่นำมาใช้จำกัดกระแส เมื่อมีกระแสไหลผ่านก็มีความร้อนเกิดขึ้นเช่นกัน ดังนั้นสิ่งที่สำคัญในการออกแบบหลอดไฟ LED อีกอย่างหนึ่งคือการระบายความร้อน และการเลือกตัวต้านทานหรือ R ที่ทนความร้อนได้ดี

การระบายความร้อน

            โดยหลักการแล้วในไดโอดเปล่งแสงหรือ LED แบบทั่วๆไปจะเปล่งแสงโดยมีความร้อนเกิดขึ้นน้อยมากจนเราสามรถใช้มือเปล่าสัมผัสได้ แต่ใน Hi Power LED หรือ LED กำลังสูง ที่ให้แสงสว่างมากๆ มีความร้อนเกิดขึ้นมาก การออกแบบระบบระบายความร้อนจึงมีความสำคัญ อุปกรณ์สำคัญอย่างหนึ่งที่ต้องใส่เพิ่มเข้ามาในระบบคือแผงระบายความร้อนหรือที่เรียกว่าฮีทซิงค์ (Heat Sink) ส่วนใหญ่ทำมาจาก อลูมิเนียมซึ่งมีคุณสมบัติคือ หลอมขึ้นรูปได้ง่าย น้ำหนักเบา และพาความร้อนได้ดี

ทั้งนี้ การออกแบบฮีทซิงค์ นอกจากจะคำนึงถึงการระบายความร้อนแล้ว ยังต้องคำนึงถึง ให้รูปทรงเป็นตามลักษณะของหลอดไฟอีกด้วย การออกแบบระบบระบายความร้อนที่ดี จะช่วยให้อายุการใช้งานของ หลอดไฟ LED แต่ในทางตรงกันข้ามการออกแบบ heat sink ที่ไม่ดีย่อมทำให้ความร้อนสะสมในหลอด LED มาก ผลก็คืออายุของ หลอดไฟ LED จะสั้นลงและไม่เป็นไปตามผู้ผลิตกำหนดไว้นั่นเอง

มาพูดถึงการวิวัฒนาการของหลอดไฟ LED กันบ้าง !!

อย่างที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าหลอดไฟดวงแรกของโลกประดิษฐ์โดย โทมัส เอวา เอดิสัน แล้วกว่าจะมีหลอดไฟหลากหลายประเภทให้เราได้เลือกใช้กันอย่างทุกวันนี้ วิวัฒนาการของหลอดไฟตั้งแต่อดีตถึงปัจจุบันผ่านอะไรมาบ้าง วันนี้ INFINITE LED มีข้อมูลดีๆ มาฝากทุกคน  ว่า หลอดไฟ LED อย่างที่พวกเราเห็นกันทุกวันนี้ มีวิวัฒนาการ มายาวนานมาก เราลองมาไล่เรียงกันดู ซิค่ะว่า หลอดไฟ แต่ละชนิดมีประวัติความเป็นมาอย่างไรบ้าง

ขอบคุณเพจ https://ra-light.com/th/%E0%B8%AB%E0%B8%A5%E0%B8%AD%E0%B8%94%E0%B9%84%E0%B8%9F-led-%E0%B8%84%E0%B8%B7%E0%B8%AD/

ก่อนมี หลอดไฟ LED ดวงแรก….

แรกเริ่มก่อนที่จะมีการประดิษฐ์ หลอดไฟ แสงสว่างที่เราใช้ก็คือแสงไฟจากตะเกียงและเทียนไข ซึ่ง

อย่างที่ทราบกันครับว่าอุปกรณ์เหล่านี้เป็นความคลาสสิคที่ไม่ค่อยสะดวกในการใช้งานสักเท่าไหร่ 

อย่าง หลอด Incandescent  หรือที่เรานิยมเรียกกันว่า หลอดไส้ หลอดไฟชนิดนี้ เราเริ่มรู้จักตั้งแต่ช่วงปี 1920-1940 หรือประมาณกว่า 90 ปี มาแล้ว คุณสมบัติคือเป็นหลอดไส้ที่ส่วนใหญ่ทำจากทังเสตน ให้ความร้อนสูงมาก 100 องศา ถึง 400 องศา ใช้พลังงานมาก แต่ให้ประสิทธิภาพ การส่องแสงต่ำเพียง 10-15 lm/W ปัจจุบัน บ้านเรายังใช้กันอยู่  แต่ในหลายประเทศ ได้ออกกฎหมาย ให้ยกเลิกการใช้ ไปแล้ว เพราะ เป็นหลอดไฟที่กินไฟมาก

หลอดไฟยุคโบราณ มากกว่า 100 ปีมาแล้ว :: “หลอดไฟดวงแรกของโลก”

มากกว่า 100 ปี ที่เหล่านักวิทยาศาสตร์ถกเถียง และสร้างทฤษฎีมากมายเกี่ยวกับการ หลอดไส้

และนั่นก็เป็นแนวคิดที่ โทมัส เอวา เอดิสัน นำมาพัฒนาต่อ จนเราได้หลอดไฟมาใช้กันจนถึงทุก

วันนี้  ซึ่งหลอดไฟในยุคแรกไส้ทำจากคาร์บอนครับ ทำให้อายุการใช้งานไม่ยาวนาน ต่อมาจึงได้

เปลี่ยนเป็น ไส้ทังสเตน เป็นเทคโนโลยีอายุราว 100 ปี ที่เรายังมีใช้กันอยู่ในปัจจุบัน !!

นั่นคือ หลอด Fluorescent หรือที่เรานิยมเรียกกันว่า หลอด ฟลูออเรสเซนต์   หลอดฟลูออเรสเซนต์ หรือที่พวกเราเรียกกันติดปากว่า หลอดนิออนนั่นเอง มีหลายขนาด ตั้งแต่ T10 พัฒนามาเป็น T8 และปัจจุบัน เริ่มมีการเปลี่ยนมาใช้ T5 กันบ้างแล้ว คำว่า T10 คือขนาด 10 หุ้น หมายเหตุ 1 นิ้ว มี 8 หุ้น T8 คือขนาด 8 หุ้น หรือ ขนาด 1 นิ้วพอดี T5 หรือ 5 หุ้น ประมาณ 1/2 นิ้วกว่าๆ หลอดฟลูออเรสเซนต์ได้เริ่มกันใช้ตั้งแต่ ปี 1940 จนถึงปัจจุบัน ประสิทธิภาพการให้แสงสว่างปานกลาง การกินไฟ ปานกลาง แต่ติดตรงที่ ต้องใช้ปัลลาสต์ และบัลลาสต์ ใช้ไฟสูงถึง 10-12 W 

หลอดไฟยุคกลาง 80 ปีมาแล้ว :: “หลอดก๊าซปรอท”

  ต่อมาก็มีการพัฒนาหลอดไฟให้เป็นหลอดแก้วที่บรรจุก๊าซปรอท และเคลือบฟอสฟอรัส ร่วมถึง

  สารประกอบอื่นๆ เช่น เมทัล ที่ผิวแก้วด้านใน หลอดไฟในยุคนี้ยังคงปล่อยแสง UV และความ

  ร้อนออกมาในปริมาณมาก แต่ก็มีอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้นอย่าง หลอดเมทัลฮาไลด์ หลอดแสงจันทร์ หลอดโซเดียม หลอดไฟประเภทนี้ นิยมใช้ในโรงงานอุตสาหกรรม เนื่องจาก ในโรงงานต้องการใช้แสงในปริมาณมาก และจำเป็นต้องติดตั้งโคมไฟ สูง 6 ม.- 12 ม. ได้มีการเริ่มต้นใช้หลอดไฟประเภทในช่วงปี 1980 ถึง จนปัจจุบัน หลอดไฟประเภทนี้ กินไฟมาก 400 – 500 W ขึ้นไป โรงงานต้องใช้โคมไฟประเภทนี้ ในจำนวน100 – 200 โคม ต่อ 1 โกดัง หรือประมาณ 50,000 -100,000 W ต่อโกดัง ทำให้โรงงานต้องเสียค่าไฟเป็นจำนวนมาก อีกทั้งการติดตั้ง หรือเปลี่ยนหลอดไฟ ทำได้ลำบาก อุณหภูมิของหลอดร้อนมาก 100 องศา – 400 องศา อายุการใช้งานเฉลี่ย 2-3 ปี

หลอดไฟยุคปัจจุบัน :: “หลอดไฟLED”

หลอดไฟLED ( Light Emitting Diode ) เป็นการพัฒนาจากแนวคิดสารกึ่งตัวนำ ไดโอด ซึ่งเคย

เป็นเพียงแนวคิดทางวิทยาศาสตร์ จนสามารถนำมาใช้ได้จริง และก็นับเป็นการเปลี่ยนแปลงครั้งยิ่งใหญ่ 

มีการพัฒนา LED อย่างต่อเนื่อง จนกลายเป็นหลอดไฟที่ทั้งประหยัด และอัจฉริยะ สามารถทำงานได้

หลากหลายฟังก์ชั่น แล้วยังปลอดภัย ไม่มีปล่อยความร้อน และแสง UV

หลอด LED / แอลอีดี  หลอดไฟLED หลายคนอาจเพิ่งเริ่มรู้จักได้ไม่นาน แต่ความจริงแล้ว หลอดไฟ LED ได้มีการเริ่มต้นใช้กันในเชิงพาณิขย์ตั้งช่วงปี 1962 และพัฒนามาเรื่อยๆ จนถึงช่วงสำคัญคือ ในปี 1996 หลอดไฟ LED ก็ได้พัฒนามาถึงจุดที่ สามารถนำมาใช้ทดแทนไฟประเภทอื่นๆได้อย่างสมบูรณ์หลอดไฟLED มีจุดเด่นมากมายหลายอย่าง คือ ใช้พลังงานต่ำแต่ให้ประสิทธิภาพการส่องสว่างที่สูงมาก เรื่มตั้งแต่ 40-150 lm/W และมีอายุการใช้งานที่ยาวนานกว่าหลอดไฟทุกประเภท คือ เฉลี่ยแล้ว มีอายุการใช้งาน 5 ปี ขึ้น ปัจจุบันหลอดไฟ LEDได้ถูกจัดเป็น  1 ใน 5 เทคโนโลยี ที่สำคัญที่สุด ของโลก ในรอบ 10 ปี ที่ผ่านมา และกำลังจะเข้ามาเปลี่ยนแปลงระบบไฟฟ้าทั้งระบบของโลก ภายในไม่กี่ปีที่จะถึงนี้