Vì có hiệu suất phát quang và tuổi thọ cao nên đèn LED đang được phát triển và ứng dụng rộng rãi trong chiếu sáng. Với hiệu suất cao nên chiếu sáng bằng LED vừa giảm đáng kể chi phí vừa góp phần giải quyết vấn đề hiệu ứng nhà kính toàn cầu. Không còn là dự báo nữa mà một số nước đã đặt ra kế hoạch thay thế hoàn toàn các đèn sợi đốt và huỳnh quang bằng đèn LED.
Cơ quan năng lượng quốc tế ước tính lượng CO2 thải ra trên toàn thế giới từ việc chiếu sáng trong năm 2005 lên đến khoảng 1900 triệu tấn. Thị trường chiếu sáng toàn cầu bằng đèn bán dẫn tiêu thụ trong năm 2006 đã vượt 7 tỷ USD. Với mức tăng trưởng mỗi năm khoảng 20% thì thị trường này sẽ đạt từ 50 đến 100 tỷ USD trong vòng 5 đến 10 năm tới.
Hoa Kỳ đặt mục tiêu đến 2010 sẽ thay trên 55% số đèn sợi đốt và đèn huỳnh quang bằng đèn LED, nhờ đó tiết kiệm được khoảng 35 tỷ USD. Còn nếu Trung Quốc sử dụng đèn LED chiếu sáng cho một phần ba nhu cầu thì tiết kiệm được khoảng 30% năng lượng, tương đương với 100 tỉ kWh.
Đèn LED rất thuận tiện cho việc chiếu sáng trong nhà cũng như kết hợp chiếu sáng với quảng cáo. Hình minh họa trên là quang cảnh cầu Vicent Thomas ở California vào ban đêm. Ở nước ta các cột cáp treo ra đảo Vinpel ở Nha Trang cũng được thắp sáng bằng đèn LED. Công nghệ bấn dẫn hiện nay đã cho phép chế tạo được các đèn LED có công suất phát sáng và một số tính chất cao hơn. Chúng được gọi là LED có độ sáng cao (High-Brightness LED). Hiệu suất phát sáng của các LED này đã cao hơn 100 lm/W và được dự báo sẽ vượt 200 lm/W trong tương lai không xa [2].
Hiệu quả kinh tế mang lại nhờ chiếu sáng bằng LED biểu hiện rất rõ qua những số liệu trong bảng 1 dưới đây [1], trong đó chi phí được tính bằng tiền Việt (VNĐ)
Ngoài hai ưu điểm nổi bật là hiệu suất phát sáng và tuổi thọ cao, LED còn có một số ưu điểm khác như: 1) dải nhiệt độ làm việc khá rộng, từ -40oC đến +120oC; 2) thời gian quá độ rất nhỏ, khoảng phần mười mili giây [2]; 3) điện áp sử dụng thấp nên tương đối an toàn, 4) có thể tạo ra ánh sáng đơn sắc, rất phù hợp với các ứng dụng trong y tế và quảng cáo.
Chiếu sáng bằng LED cũng có nhược điểm, đó là đòi hỏi bộ nguồn phức tạp. Các nguồn này cần có điện áp ra một chiều với giá trị không cao, từ vài vôn đến vài chục vôn, và có tính chất nguồn dòng. Các bộ nguồn này cũng gây nên tổn hao và có độ tin cậy hạn chế, do đó ảnh hưởng không tốt đến các tính chất nổi bật của LED. Hiện nay các nghiên cứu đang tập trung khá nhiều vào nâng cao hiệu suất, nâng cao độ tin cậy, giảm kích thước, giảm khối lượng và giảm giá thành cho các bộ nguồn nuôi cho đèn LED.
Để điện áp ra của bộ nguồn không quá thấp, nhờ đó tăng hiệu suất, các LED thường được cấp điện nối tiếp theo nhóm. Ở dạng tổng quát bộ nguồn có sơ đồ khối chức năng trong hình 2. Trong đó nguồn điện sơ cấp có thể là xoay chiều (từ lưới điện Quốc Gia) hoặc một chiều (từ bình điện hoặc pin năng lượng mặt trời).
Bộ biến đổi thực hiện đồng thời hai chức năng. Một là nhận điện áp một chiều và biến thành dạng mong muốn để trực tiếp cấp cho các LED. Hai là đảm bảo tính chất nguồn dòng bằng cách tự động điều chỉnh dòng điện LED theo điện áp rơi trên điện trở sơn dòng Rs. Trong trường hợp nguồn điện sơ cấp là xoay chiều thì ngoài chỉnh lưu ra còn thường có bộ hiệu chỉnh hệ số công suất hay cosφ.
Để có hiệu suất cao các bộ biến đổi hiện nay hầu hết được thiết kế theo nguyên lý điều chế bề rộng xung, trong đó điện áp một chiều được biến thành dãy xung, thường là xung dòng, sau đó nắn và lọc thành dòng một chiều để cấp cho các LED. Cường độ dòng điện được điều chỉnh nhờ thay đổi bề rộng các xung.
Các bộ nguồn hiện nay được xây dựng trên cơ sở các tranzistơ trường loại MOSFET kênh N và theo một số cấu trúc điển hình [2] trong hình 3.
Cấu trúc a,b,c tương ứng được gọi là biến đổi một chiều hạ áp, tăng áp và đảo cực, chúng thuộc nhóm biến đổi không cách ly vì tải và nguồn một chiều sơ cấp liên hệ tĩnh điện với nhau. Cấu trúc d và e tương ứng được gọi là biến đổi một chiều xung gián tiếp và cộng hưởng, chúng thuộc nhóm biến đổi cách ly vì tải và nguồn một chiều sơ cấp tĩnh điện với nhau qua biến áp. Đương nhiên mỗi cấu trúc đều có ưu và nhược riêng, do đó phù hợp với từng trường hợp cụ thể.
Vì các bộ biến đổi đều làm việc theo nguyên lý xung nên mặc dù nguồn sơ cấp có dạng khác nhau, dòng điện trực tiếp ở cửa ra của bộ biến đổi cũng có dạng xung. Để có dòng một chiều không đổi các dòng điện này được sàng lọc trước khi cấp đến các LED. Dáng điệu các xung dòng này ảnh hưởng nhiều đến yêu cầu về tính chất lọc và năng lượng tích trao đổi trong bộ lọc, tức là ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước, đến giá thành của bộ lọc nói riêng và của cả bộ nguồn nói chung. Để có cùng một dòng điện không đổi cấp cho tải, ở đây là các LED, thì hình dạng của các xung dòng sẽ quyết định giá trị của dòng điện và điện áp làm việc của các phần tử, năng lượng của các hài bậc cao. Vì thế việc lựa chọn cấu trúc bộ biến đổi phụ thuộc vào ưu tiên mà người thiết kế đặt ra. Bảng 2 trình bày về các tương quan nêu trên đối với một số dạng dòng điện điển hình, trong đó lấy trị trung bình của mỗi dòng điện cụ thể là chuẩn so sánh. Dòng điện một chiều lý tưởng, dạng đầu tiên bên trái, có biên độ và trị hiệu dụng đều bằng trị trung bình, hay bằng đơn vị, còn các thành phần khác đều bằng không.
Cấu trúc a, b và c cho dòng điện dạng trong cột thứ ba, cấu trúc e cho dòng điện dạng trong cột 2, cấu trúc f cho dòng điện có dạng trong cột
bốn, chỉnh lưu dòng xoay chiều sin một pha cho dòng điện có dạng trong cột cuối cùng. (xem bảng 2)
Hình 2 
Hình 4Những phân tích khái quát ở trên cho thấy có thể chia bài toán thiết kế các bộ nguồn cho đèn LED chiếu sáng thành hai phần, phần thiết kế nguyên lý và phần thiết kế tự động. Thiết kế nguyên lý nhằm đạt được tính năng cơ bản, đó là biến đổi nguồn sơ cấp thành nguồn cấp cho LED với tính chất dòng điện và hiệu suất cũng như độ tin cậy mong muốn. Thiết kế động học nhằm đạt được khả năng làm việc ổn định trong các điều kiện khác nhau với các đặc tính quá độ định trước.
Các cấu trúc biến đổi trên đều đã được kiểm định bằng mô phỏng, cũng như triển khai thực tế tại trung tâm nghiên cứu và ứng dụng điện tử công suất (PLAB). Thực tế cho thấy các cấu trúc a, b và c phù hợp với nguồn vào thấp, còn các cấu trúc d và e phù hợp với nguồn vào cao.
Tài liệu tham khảo
[1] ON Semiconductor, “Driving High Brightness LEDs”.
[2] Margery Conner, “High Brightness LEDs”, EDN December 14, 2007.
