Solidstate Lighting เป็นเทคโนโลยีใหม่ในการพัฒนาระบบไฟฟ้าแสงสว่างเพื่อก้าวสู่ทศวรรษที่ 2 ของโลกในศตวรรษที่ 21
มารู้จักหลอด LED
หลอดไฟฟ้าแสงสว่างของศตวรรษที่ 21
ขวัญชัย กุลสันติธำรงค์
kwanchai2002@hotmail.com
Solid–state Lighting (SSL) เป็นเทคโนโลยีใหม่ในการพัฒนาระบบไฟฟ้าแสงสว่างเพื่อก้าวสู่ทศวรรษที่ 2 ของโลกในศตวรรษที่ 21 โดยประกอบด้วยแหล่งกำเนิดแสง 2 ชนิด ชนิดแรก คือ Inorganic Light–emitting Diodes หรือ LED และชนิดที่ 2 คือ Organic Light–emitting Diodes หรือ OLED เทคโนโลยี SSL กำลังเข้ามาแทนที่หลอดไฟฟ้าชนิดหลอดไส้ที่ใช้ทังสเตนเป็นไส้หลอดเผาที่อุณหภูมิสูงเพื่อให้แสงสว่าง และหลอดฟลูออเรสเซนต์ และหลอด HID
การคาดการณ์แนวโน้มของอุตสาหกรรมคอมพิวเตอร์โดยอาศัย กฎของ Moore ที่พยากรณ์ว่าจำนวนของทรานซิสเตอร์ที่ติดตั้งอยู่บนแผง Integrated Circuit Board ว่าจะเพิ่มเป็น 2 เท่าทุก ๆ 2 ปี ในอุตสาหกรรม LED ก็เช่นเดียวกัน ดอกเตอร์ Ronald Haitz อดีตนักวิจัยของบริษัท Agilent ได้พยากรณ์สมรรถนะของหลอด LED ไว้จนกลายเป็นกฎของ Haitz ว่าปริมาณแสงที่ไดโอดตัวหนึ่งเปล่งแสงออกมาได้จะเพิ่มขึ้น 20 เท่าทุก ๆ หนึ่งทศวรรษ ขณะที่ต้นทุนที่ทำให้ได้แสงดังกล่าวจะลดลง 10 เท่า เมื่อรวมกับการพัฒนาของอุตสาหกรรมคอมพิวเตอร์ที่สามารถลดต้นทุนของชิปคอมพิวเตอร์ลงได้ใน 3 ทศวรรษที่ผ่านมาก็ยิ่งช่วยให้ตลาดของหลอด LED โตขึ้นอย่างรวดเร็ว
การพัฒนาหลอด LED ชนิด High–brightness LED เป็นผลิตภัณฑ์ใหม่ของหลอด LED ที่กำลังพัฒนาอย่างต่อเนื่องและกำลังได้รับความนิยมเพิ่มมากขึ้น ข้อได้เปรียบของหลอดชนิดนี้ก็คือ มีทิศทางของแสงที่แน่นอน (Directional Light) มีขนาดกะทัดรัด, คงทนไม่แตกง่าย, ควบคุมการทำงานได้ง่าย, หลอดจุดติดทันที (Instant On), ไม่มีการกระจายของรังสีอินฟราเรดและรังสีอัลตราไวโอเลต, มีอายุการใช้งานนาน, ประสิทธิภาพสูง, ไม่มีความร้อนเกิดขึ้นและไม่มีส่วนประกอบของสารปรอท
มารู้จัก LED Chip
ตลาดใหญ่ของหลอด LED ก็คือการเปลี่ยนทดแทนหลอดไส้ชนิด Incandescent และหลอด PAR โดยเฉพาะอย่างยิ่งสามารถใช้หลอด LED ชนิด HBLED ซึ่งเป็นหลอดประหยัดพลังงานกำลังส่องสว่างสูงเปลี่ยนทดแทนหลอดไฟ 2 ชนิดดังกล่าวที่กำลังจะถูกห้ามนำมาใช้ในอนาคตอันใกล้นี้ได้อย่างสบาย อย่างไรก็ตามผู้ผลิตหลอด HBLED ได้พัฒนาและปรับปรุงหลอดชนิดนี้โดยการเพิ่มค่าความส่องสว่างของหลอด LED ชิ้นเล็ก ๆ ที่ประกอบกันขึ้นเป็นชุดหลอด LED ขณะเดียวกันก็พยายามเพิ่มจำนวนของหลอด LED ชิ้นเล็ก ๆ ดังกล่าวไปใน แผง, แถบ, แถวของชุดหลอด LED ที่ทำหน้าที่เป็นแหล่งกำเนิดแสงเพื่อให้ได้กำลังส่องสว่างรวมและประสิทธิผลการส่องสว่างรวมมากกว่าหลอดไฟทั่วไป ทั้งนี้ยังรวมถึงการปรับปรุงเพื่อทำให้สีของหลอด LED คงที่ (Color Stability) อีกด้วย
รูปที่ 1 LED Spotlight
รูปที่ 2 หลอด LED ที่ใช้แทนหลอดไส้ทังสเตนฮาโลเจนชนิด Reflector Lamp
รูปที่ 3 Schematics: Cross Section of LED Lamp
มาตรฐานที่เกี่ยวข้องกับหลอด LED
มาตรฐานที่เกี่ยวข้องกับการพัฒนาและผลิตหลอด LED ได้แก่
* มาตรฐาน IESNA LM–80: Approved Method for Measuring Lumen Depreciation of LED Light Sources มาตรฐานฉบับนี้ได้กำหนดขั้นตอนการทดสอบเพื่อกำหนดค่าของ Lumen Maintenance ของหลอด LED วิธีที่กำหนดในมาตรฐานไม่ได้เป็นการวัดโดยตรงจากดวงโคมไฟฟ้าพร้อมหลอด เนื่องจากหลอด LED มีความไวต่ออุณหภูมิสูง ดังนั้นมาตรฐาน LM–80 จึงกำหนดให้ต้องทดสอบที่อุณหภูมิที่ต่างกัน 3 อุณหภูมิ ได้แก่ 50 ๐C, 85 ๐C และอุณหภูมิลำดับที่ 3 ให้ผู้ผลิตเลือกเอง
เนื่องจากหลอด LED จะมีอายุเกิน 50,000 ชั่วโมง หรือเท่ากับ 5.6 ปี ดังนั้นมาตรฐาน TM–21: Lumen Depreciation Lifetime Estimation Method for LED Light Sources จึงได้ใช้วิธีเทียบ “บัญญัติไตรยางศ์” หรือ Extrapolation จากข้อมูลในช่วงเวลาสั้นเพื่อคาดการณ์ค่ากำลังส่องสว่าง (Lumen Output) ของหลอด LED ในช่วงเวลาหลายหมื่นชั่วโมง โดยจะวัดค่ากำลังส่องสว่างทุก ๆ 1,000 ชั่วโมงจนถึงอย่างน้อย 6,000 ชั่วโมง ค่ากำลังส่องสว่างที่ค่อย ๆ ลดลงจำนวน 6 ค่านี้จะถูกนำมาพล็อตกราฟ และเทียบ “บัญญัติไตรยางศ์” ให้ได้ค่ากำลังส่องสว่างที่ 36,000 ชั่วโมง แต่ถ้าทดสอบหลอด LED ที่เวลา 10,000 ชั่วโมงก็สามารถ “เทียบบัญญัติไตรยางศ์” เพื่อคาดการณ์ค่ากำลังส่องสว่างได้จนถึง 60,000 ชั่วโมง เมื่อค่ากำลังส่องสว่างลดลง 30% ก็แสดงว่าหลอด LED ดังกล่าวหมดอายุการใช้งาน
* มาตรฐานฉบับที่ 2 คือ มาตรฐาน IESNA LM–79 “Approved Method for the Electrical an Photometric Testing of Solid State Lighting Devices” LM–79 ได้กำหนดวิธีการทดสอบที่เกี่ยวข้องกับคุณลักษณะทางไฟฟ้า, การส่องสว่าง, การกระจายความเข้มของแสงและคุณสมบัติของสีของแสง ผลการทดสอบการกระจายความเข้มของแสงตามมาตรฐาน LM–79 จะแสดงในรูปของกราฟแบบ Tabular หรือ แบบ Polar ก็ได้ ส่วนผลการทดสอบด้านสีของแสงสามารถแสดงผลในรูปของกราฟโดยเรียกว่า Spectral Power Distribution (SPD) ผู้ใช้สามารถประเมินปริมาณแสงที่ความยาวคลื่นที่ตาคนเรามองเห็น (ในหน่วยของ Milliwatt per Nanometer หรือ mW/nm)
ตารางที่ 1 ค่ากำลังส่องสว่างของหลอดไฟฟ้าชนิดต่าง ๆ
รูปที่ 4 กราฟ Spectral Power Distribution: SPD ของหลอด LED
* มาตรฐานฉบับที่ 3 คือมาตรฐาน ANSI C78.377–2008 “Specifications for Chromaticity of Solid–State Lighting Product” เป็นมาตรฐานที่เกี่ยวข้องคุณสมบัติสีของแสงจากหลอด LED หลอดไฟฟ้าทั่วไปที่ใช้งานอยู่ขณะนี้จะมีสีที่เรียกว่า Unsaturated Colors ขณะที่สีของแสงจากหลอด LED เป็นชนิด Saturated Colors เช่น สีแดงเกิดจากชั้นของผลึก Aluminum Gallium Arsenide (AlGaAs) สีน้ำเงินเกิดจากชั้นของผลึก Indium Gallium Nitride (InGaN) สีเขียวเกิดจากชั้นของผลึก Aluminum Gallium Phosphide (AlGaP)
สีของแสงจากหลอด LED
แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นในช่วงที่ตามองเห็นคือ แสงสีม่วง (380 นาโนเมตร) จนถึงแสงสีแดง (620–760 นาโนเมตร) เมื่อมีการผสมแสงสีต่าง ๆ เหล่านี้เข้าด้วยกันอย่างสมดุลจะทำให้เกิดเป็นแสงสีขาว (White Visible Light) ในอดีตเนื่องจากข้อจำกัดของเทคโนโลยีของสารฟอสฟอร์ (Phosphor) ทำให้ผู้ผลิตหลอดฟลูออเรสเซนต์กำหนดให้ผู้ใช้หลอดฟลูออเรสเซนต์ต้องยอมรับคุณสมบัติของแสงสีขาว ด้วยการกำหนดคำศัพท์คำว่า Warm White หรือ Cool White ขึ้นมาโดยอ้างอิงสีของแสงขาวเข้ากับความรู้สึกของคนว่าแสงสีนี้ให้ความรู้สึกอุ่น แสงสีนั้นให้ความรู้สึกเย็น รวมถึงกำหนดให้ใช้สีจากหลอดไส้เป็นแหล่งกำเนิดแสงอ้างอิง
ในปัจจุบันเมื่อเทคโนโลยีของอุตสาหกรรมแสงสว่างพัฒนามากขึ้น การกำหนดคุณสมบัติของสีของแสงจึงพัฒนาขึ้นตามไปด้วย โดยมีการกำหนดคุณสมบัติด้านสีของแสงจากอุณหภูมิสี (Color Temperature) และความถูกต้องของสี (Color Rendering Index: CRI)
(ก) Color Temperature เป็นการเปรียบเทียบแหล่งกำเนิดของแสงขาวว่าแสงจะมีสีเหลืองที่ให้ความรู้สึกอุ่นมากไหม หรือมีแสงสีฟ้าที่ให้ความรู้สึกเย็นมากไหม เพื่อให้เกิดความเข้าใจเรื่องอุณหภูมิสีก็ต้องเริ่มจากวัตถุดำ หรือ Black Body ก่อน โดยวัตถุดำเป็นวัตถุที่ไม่มีสี สีดำเกิดขึ้นจากวัตถุดำนี้ดูดกลืนรังสีทุกชนิดที่กระทบกับผิวของวัตถุดำที่อุณหภูมิ 0 K ซึ่งเท่ากับ –273 ๐C ที่อุณหภูมินี้โมเลกุลของวัตถุจะหยุดไม่มีการเคลื่อนที่ใด ๆ ทั้งสิ้น เพื่อทำการทดลองจึงสร้างวัตถุดำขึ้นมาจากโลหะทังสเตนผสมกับคาร์บอน เมื่อให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านวัตถุดำนี้ ผิวของวัตถุดำก็จะค่อย ๆ เปลี่ยนสีตามความร้อนที่เกิดขึ้นการจากการไหลของกระแสไฟฟ้า เริ่มต้นจากสีแดง เปลี่ยนเป็นสีส้ม เปลี่ยนไปเป็นสีเหลือง และในที่สุดก็เปลี่ยนเป็นสีขาวอมฟ้า นั่นก็คืออุณหภูมิเปลี่ยนจาก 1,000 K เป็น 6,500 K นั่นก็คืออุณหภูมิสีของหลอดไฟฟ้าก็คืออุณหภูมิที่วัตถุดำให้แสงสีเดียวกับหลอดไฟฟ้านั้น ๆ
หลอดไส้ (Incandescent Lamp) เป็นหลอดไฟฟ้าชนิดเดียวที่ให้สเปกตรัมของแสงที่ต่อเนื่องที่อุณหภูมิ 2,700 K ขณะที่หลอดไฟชนิดอื่น ๆ (ไม่รวมหลอด HBLED) จะให้สเปกตรัมของแสงที่ไม่ต่อเนื่องที่อุณหภูมิต่าง ๆ มาตรฐาน ANSI C78.377–2008 ได้กำหนดค่า Correlated Color Temperature (CCT) ที่ยอมรับได้ตั้งแต่ 2,700 K (เหมือนหลอดไส้) จนถึง 6,500 K (สีเดียวกับหลอดฟลูออเรสเซนต์ชนิด Daylight)
องค์กรมาตรฐานโลก The International Commission on Illumination: CIE ได้พัฒนากราฟ Chromaticity Diagram เป็นการพล็อตกราฟโดยใช้แกน X, Y โดยมีวัตถุดำอยู่ในตำแหน่ง Locus ของรูปสามเหลี่ยมตามที่แสดงในรูปที่ 2 สีของแสงที่อยู่ตามขอบของเส้นกราฟจะมีสีตั้งแต่สีแดงจนถึงสีน้ำเงิน เมื่อเคลื่อนเข้าไปจุดศูนย์กลางที่อยู่ภายในของสามเหลี่ยม สีของแสงจะจางลง ๆ เรื่อยจนได้แสงสีขาวในที่สุด ดังนั้นการกำหนดพิกัดของโคออร์ดิเนต X และ Y ที่สัมพันธ์กับรูปกราฟ CIE Chromaticity Diagram จะให้สีของแสงจากแหล่งกำเนิดแสงที่สัมพันธ์กับวัตถุดำได้อย่างถูกต้อง
รูปที่ 5 CIE Chromaticity Diagram
ตารางที่ 2 Color Temperature ของหลอดไฟฟ้าชนิดต่าง ๆ
(ข) Color Rendering index (CRI) เป็นคุณสมบัติที่สำคัญประการหนึ่งในการเลือกชนิดของหลอดไฟฟ้าโดยเฉพาะอย่างยิ่งใช้ในการเลือกหลอดฟลูออเรสเซนต์และหลอด HID มาเป็นเวลาไม่น้อยกว่า 40 ปี CRI มีค่าอยู่ระหว่าง 0–100 มาตรฐานของ CIE ใช้หลอดไส้ Incandescent Lamp เป็นหลอดอ้างอิงเนื่องจากไส้หลอดเป็นทังสเตนเป็นโลหะชนิดเดียวกับที่ใช้ทำวัตถุดำ ดังนั้นหลอดไส้จึงเป็นแหล่งกำเนิดแสงที่มีค่า CRI ที่สูงมากใกล้ ๆ ค่า 100 ในปัจจุบัน CRI ยังนำมาใช้กำหนดความเที่ยงตรงของสีของแสงจากหลอด HBLED
อย่างไรก็ตามด้วยคุณสมบัติของหลอด LED ถึงแม้ว่าหลอด LED นั้น ๆ จะมีค่า CRI ที่น้อย ๆ แต่เมื่อเทียบกับแหล่งกำเนิดแสงอื่น ๆ แล้ว แสงจากหลอด LED ก็ยังให้แสงสีขาวที่มีคุณภาพสูงเมื่อเทียบกับแหล่งกำเนิดแสงชนิดอื่น ๆ ดังนั้น National Institute of Standards and Technology (NIST) จึงได้พัฒนามาตรฐานใหม่ขึ้นมาแทน เรียกว่า Color Quality Scale: CQS มาตรฐานใหม่นี้ยังนำมาใช้กับหลอดไฟฟ้าทั่วไปและหลอด Solid–state Sources ทุกชนิดด้วย
สรุป
หลอด LED เป็นหลอดไฟฟ้าแสงสว่างที่กะทัดรัดและใช้พลังงานอย่างประหยัดและคุ้มค่า หลอด LED เป็นหลอดไฟฟ้าแสงสว่างที่มีคุณสมบัติและข้อกำหนดที่หลากหลาย ดังนั้นการเลือกใช้หลอด LED จึงต้องพิจารณาอย่างรอบคอบระมัดระวัง โดยต้องพิจารณาถึงอุณหภูมิสี, ค่า CRI, อายุการใช้งาน, กำลังการส่องสว่าง หลอด LED จะทำงานแย่ลงที่อุณหภูมิสูง ดังนั้นการเลือกใช้โคมไฟฟ้าที่มีหลอด LED เป็นแหล่งกำเนิดแสงจึงต้องพิจารณาถึงการระบายความร้อนที่เกิดขึ้นอีกด้วย
ข้อมูลอ้างอิง
1. LED Update : EC&M October 2010
2. Specifying LED Lighting: BRE IP 15/10
สงวนลิขสิทธิ์ ตามพระราชบัญญัติลิขสิทธิ์ พ.ศ. 2539 www.thailandindustry.com
Copyright (C) 2009 www.thailandindustry.com All rights reserved.
ขอสงวนสิทธิ์ ข้อมูล เนื้อหา บทความ และรูปภาพ (ในส่วนที่ทำขึ้นเอง) ทั้งหมดที่ปรากฎอยู่ในเว็บไซต์ www.thailandindustry.com ห้ามมิให้บุคคลใด คัดลอก หรือ ทำสำเนา หรือ ดัดแปลง ข้อความหรือบทความใดๆ ของเว็บไซต์ หากผู้ใดละเมิด ไม่ว่าการลอกเลียน หรือนำส่วนหนึ่งส่วนใดของบทความนี้ไปใช้ ดัดแปลง โดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร จะถูกดำเนินคดี ตามที่กฏหมายบัญญัติไว้สูงสุด
Thailandindustrycom_official
