LED คือ อะไร?

By Noppadon B.
พฤศจิกายน 2557

ประวัติความเป็นมาของ LED

LED หรือ หลอดLEDนั้นมีมานานแล้ว เริ่มปรากฎในแผงวงจรครั้งแรกเมื่อปี 1962 ซึ่งโดยช่วงแรกๆนั้น LED ให้ความเข้มแสงไม่มากนักและมีใช้ในเฉพาะความถี่ในช่วงแสง infra-red ที่ไม่สามารถมองเห็นด้วยตาเปล่าได้(ซึ่งเรายังคงเห็นรูปแบบการใช้งานในช่วงแสง infra-red นี้ตามอุปกรณ์ประเภทรีโมทคอนโทรลในเครื่องใช้ไฟฟ้าตามบ้านเรือนจนปัจจุบัน) ต่อมา LED ถูกพัฒนาให้สามารถเปล่งแสงที่มองเห็นได้โดยแสงสีแดงเป็นสีแรกถูกคิดค้นขึ้นได้ก่อนแต่ทว่าช่วงเริ่มต้นนั้นก็ยังมีความเข้มแสงต่ำอยู่ยังนำเอามาใช้ประโยชน์ได้ไม่มากนัก

นักวิทยาศาตร์และนักวิจัยก็พัฒนา LED เรื่อยมาจนกระทั่งสามารถให้สร้าง LED ที่มีแสงครอบคลุมย่านความถี่ตั้งแต่ infrared คือแสงที่มองห็นได้ (visible light)ไปจนถึงย่าน ultra violet หรือ UV ที่มองไม่เห็น ต่อจากนั้นไม่นาน LED ก็ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในอุปกรณ์ไฟแสดงตามแผงควบคุมเพื่อบอกสัญญาณ และใช้ในไฟแสดงตัวเลข seven segment และนาฬิกาดิจิตอล ต่อมา LED ก็ถูกพัฒนาขึ้นอีก ให้ประสิทธิภาพด้านให้ความเข้มแสงหรือความสว่างมากขึ้น จนสามารถนำเอา LED มาใช้งานในการแสดงสัญญาณ ไฟสัญญาณสำหรับการบิน ไฟสัญญาณจราจร และด้วยเหตุผลที่LED มีข้อดีในหลายๆด้านไม่ว่าจะเป็นด้านประหยัดพลังงาน ด้านการใช้งานได้นานขึ้น มีการบำรุงรักษาที่ต่ำ ความทนของตัวหลอดเอง และขนาดก็เล็กมากเมื่อเทียบกับหลอดไส้อย่างเดิม ทั้งยังปิดเปิดควบคุมง่ายขึ้นแล้ว นักวิจัยและบริษัทต่างๆจึงมุ่งเน้นพัฒนาประสิทธิภาพด้านความเข้มแสงหรือความสว่างให้สูงขึ้นไปอีก เพื่อหวังที่จะนำเอา LED มาใช้เป็นไฟฟ้าแสงสว่างในชีวิตประจำวันเพื่อทดแทนหลอดไฟแบบที่มีใช้อยู่ทั่วไปในปัจจุบัน แต่ทว่าในขณะนั้นก็ติดปัญหาเรื่องการทำให้ LED มีแสงสีขาวเหมือนหลอดไฟทั่วไปไม่ได้

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

LED ในปัจจุบันและอนาคต

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

หลักการทำงานของ LED

เมื่อ 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




LED แบบดั้งเดิม




• 2.LED ขนาดเล็กมาก

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




LED ขนาดเล็กมากหรือ 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





LED กำลังสูง หรือ Hi-power LED

การต่อวงจร

(ลงในรายละเอียดนิดนึง อ่านข้ามได้)
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

วงจรการต่อ LED

ตัวต้านทานหรือ R ภายนอกที่นำมาใช้จำกัดกระแส เมื่อมีกระแสไหลผ่านก็มีความร้อนเกิดขึ้นเช่นกัน ดังนั้นสิ่งที่สำคัญในการออกแบบหลอดไฟ LED อีกอย่างหนึ่งคือการระบายความร้อน และการเลือกตัวต้านทานหรือ R ที่ทนความร้อนได้ดี

ตัวอย่าง R เพื่อจำกัดกระแสผ่าน LED

การระบายความร้อน

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

Heat sink แบบต่างๆ

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

https://www.klcbright.com/LEDis.php