ค้นหาข้อมูล
ข้อมูลและสาระน่ารู้ที่อัพเดทล่าสุด
เทคโนโลยี LED ทางเลือกใหม่สำหรับไฟยานยนต์
2246 view
 Post Date:  2011-03-09 09:21:15

เทคโนโลยี LED ทางเลือกใหม่สำหรับไฟยานยนต์

 

         ต้องยอมรับว่าในปัจจุบันอุตสาหกรรมยานยนต์มีการพัฒนาเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่อง เพื่อตอบสนองต่อความต้องการของผู้บริโภคไม่ว่าจะเป็นด้านสมรรถนะการใช้งาน ความสะดวกสบาย การประหยัดพลังงานเชื้อเพลิง รวมถึงความปลอดภัย การพัฒนาที่เป็นรูปธรรมอาทิ การพัฒนาวัสดุนาโนเทคโนโลยีเพื่อให้วัสดุแข็งแรง น้ำหนักเบาการพัฒนาระบบ ITS เพื่อให้คนขับสามารถได้รับข้อมูลจราจรที่ถูกต้องและทันเวลาเพื่อใช้ในเทคโนโลยียานยนต์ไฮบริดเพื่อนำพลังงานไฟฟ้าจากแบตเตอรี่มาช่วยในการขับเคลื่อนทำให้สามารถประหยัดพลังงานเชื้อเพลิงได้มากทีเดียว โดยเฉพาะการขับขี่ในเมืองตลอดจนเทคโนโลยียานยนต์ที่สามารถใช้พลังงานทดแทนแก๊สโซฮอล์ E20 เป็นต้น ซึ่งในเรื่องดังกล่าวข้างต้นผู้เขียนก็ได้นำเสนอเรื่องราวผ่านของบทความไปแล้ว อย่างไรก็ตามเทคโนโลยีหนึ่งที่ผู้เขียนเห็นว่ากำลังมาแรงและน่าสนใจไม่น้อยในยุคนี้ก็คือ เทคโนโลยีหลอด LED ที่นำมาใช้ในยานยนต์ซึ่งผู้เขียนจะนำมาเล่าสู่กันฟังในบทความนี้

         สำหรับในเรื่องของไฟยานยนต์นั้นตั้งแต่อดีตที่ผ่านมาจนถึงปัจจุบันได้มีการนำเทคโนโลยีของหลอดไส้มาใช้ ซึ่งโดยส่วนใหญ่ก็จะเป็นหลอดฮาโลเจน (Halogen Lamps) สำหรับเทคโนโลยีที่มีการพัฒนาต่อมาก็คือเทคโนโลยีแก๊สดีสชาร์จ (Gas Discharge) ที่นำมาใช้สำหรับไฟหน้ายานยนต์โดยมีข้อดี คือ แสงมีสีใกล้เคียงกับแสงอาทิตย์ และมีความสว่างที่มากกว่าหลอดฮาโลเจน และสุดท้าย คือ การพัฒนาเทคโนโลยีของหลอด LED ที่ใช้สำหรับไฟยานยนต์รวมถึงการนำไปใช้ในไฟหน้ายานยนต์ด้วย เราลองมาทำความรู้จักกับเทคโนโลยีหลอด LED นี้กันเลยดีกว่าครับ

         ก่อนอื่นต้องขอบอกว่าหลอด LED ก็คือ ไดโอดชนิดหนึ่งดังนั้นเพื่อทำความเข้าใจในเทคโนโลยีหลอด LED เราก็ควรรู้จักกับไดโอดก่อน ดังนี้ครับ

ไดโอด

         ไดโอด เป็นอุปกรณ์ที่ทำจากสารกึ่งตัวนำ P-N สามารถควบคุมให้กระแสไฟฟ้าจากภายนอกไหลผ่านได้ในทิศทางเดียวไดโอดประกอบด้วยขั้วสองขั้ว คือ แอโนด (A) ซึ่งต่ออยู่กับสารกึ่งตัวนำชนิด P และแคโทด (K) ซึ่งต่ออยู่กับสารกึ่งตัวนำชนิด N

         ไดโอด เป็นวัสดุสารกึ่งตัวนำ ซึ่งปกติวัสดุสารกึ่งตัวนำจะเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ไม่ดี โดยเราสามารถเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติการนำไฟฟ้าได้เมื่อใส่สารเจือปนเข้าไปทำให้สามารถควบคุมการนำไฟฟ้าให้มากหรือน้อยได้ เราเรียกวิธีนี้ว่า การโดป (Doping)

หลอด LED

         หลอด LED ย่อจาก Light Emitting Diodes โดยเป็นไดโอดประเภทหนึ่งซึ่งส่วนใหญ่แล้วจะใช้สารอะลูมิเนียมกัลเลียมอาร์เซไนล์ (Aluminium-Gallium-Arsenide) ซึ่งคำย่อ คือ AlGaAs เป็นสารกึ่งตัวนำ

         ในปัจจุบันหลอด LED มีให้เห็นได้ทั่วไปในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เช่น นาฬิกาดิจิทัล รีโมทคอนโทล จอโทรทัศน์รวมถึงไฟจราจร

         หลอด LED ในกรณีที่ยังไม่ได้ใส่สารเจือปน อะตอมทั้งหมดจะมีพันธะเกาะกันอย่างมั่นคงทำให้ไม่มีการปล่อยอิเล็กตรอนอิสระ (ประจุไฟฟ้าลบ) ออกมาสำหรับการนำกระแสไฟฟ้า แต่เมื่อทำการโดปโดยการเติมสารเจือปนทำให้ความสมดุลของวัสดุเปลี่ยนไปทั้งในด้านมีการปล่อยให้อิเล็กตรอนอิสระในสารกึ่งตัวนำเพิ่มขึ้นหรือการสร้างหลุม (Holes) ซึ่งอิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ไปได้ ทั้งสองที่กล่าวมาเป็นการนำไปสู่คุณสมบัติการนำไฟฟ้าที่มากขึ้น

         สารกึ่งตัวนำส่วนที่มีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่นี้ใช้วัสดุชนิด N-Type ซึ่งถือว่าเป็นพื้นที่ของประจุลบนั่นเอง ขณะเดียวกันสารกึ่งตัวนำส่วนที่มีหลุม (Holes) ใช้วัสดุชนิด P-Type ซึ่งเป็นพื้นที่ของประจุบวกนั่นเอง

         ไดโอดเกิดจากการนำสารกึ่งตัวนำชนิด N-type เชื่อมติดกับสารกึ่งตัวนำชนิด P-Type โดยเชื่อมเข้ากับขั้วไฟฟ้าที่ปลายทั้งสอง การทำเช่นนี้ทำให้กระแสไฟฟ้าสามารถไหลได้ในทิศทางเดียว

         ในกรณีที่ยังไม่มีการให้แรงดันไฟฟ้าอิเล็กตรอนอิสระจำนวนหนึ่งจากพื้นที่ N-Type และ Holes (ประจุบวก) จากพื้นที่ P-Type จะเคลื่อนที่ข้ามรอยต่อและทำให้อิเล็กตรอนอิสระมาลง Holes ทำให้เป็นกลางทางไฟฟ้าและทำให้เป็นเสมือนการสร้างพื้นที่ที่เป็นฉนวนทางไฟฟ้าหรือที่เรียกว่า Depletion Zone โดยพื้นที่นี้เปรียบเทียบได้กับกำแพงป้องกันการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนนั่นเอง

         เมื่อเราต้องการให้อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ผ่านโซนนี้ได้เราต้องทำให้พื้นที่นี้แคบลงหรือหมดไปโดยการต่อขั้ว N-Type ของไดโอดเข้ากับขั้วลบของแบตเตอรี่และขั้วบวกเข้ากับขั้ว P-Type ทำให้อิเล็กตรอนอิสระใน

 N-Type ถูกดันด้วยแรงดันทางไฟฟ้า ส่วน Holes ที่ขั้ว P-Type จะถูกดันด้วยแรงทางไฟฟ้าเช่นเดียวกัน ถ้าเราให้แรงดันทางไฟฟ้ามากพอ และเหมาะสมจะทำให้พื้นที่นี้แคบจนหายไปและทำให้อิเล็กตรอนอิสระสามารถเคลื่อนที่ผ่านรอยต่อได้อย่างง่ายดายเหมือนกับไม่มีความต้านทาน ซึ่งการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระและ Holes นี้เองเป็นสาเหตุให้เกิดแสงขึ้น

         ในขณะที่ถ้ามีการต่อขั้วลบเข้ากับ P และขั้วบวกเข้ากับ N อิเล็กตรอนในพื้นที่ N-Type จะถูกดึงดูดโดยขั้วบวก และ Holes (ประจุบวก) ในพื้นที่ P-Type จะถูกดึงดูดโดยขั้วลบ ซึ่งเป็นการเลื่อนที่ในทิศทางตรงกันข้ามซึ่งท้านสุดแล้วจะทำให้โซนดีพลีชันหนาขึ้นและเป็นเสมือนกำแพงกั้นการไหลของกระแสไฟฟ้า ทำให้ไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลนั่นเอง

 

การเปล่งแสงของหลอด LED

         แสงเป็นรูปหนึ่งของพลังงานที่สามารถปลดปล่อยออกมาโดยอะตอมแสงเป็นกลุ่มของอนุภาคขนาดเล็กที่มีทั้งพลังงานและโมเมนตัมโดยเรียกว่า “โฟตอน” ซึ่งถือได้ว่าเป็นหน่วยพื้นฐานของแสงนั่นเอง

         โฟตอนที่ถูกปล่อยออกมานั้นเป็นผลจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน ปกติในอะตอมจะมีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเป็นวงรอบๆ นิวเคลียส อิเล็กตรอนที่อยู่ในวงโคจรที่ต่างกันก็จะมีปริมาณพลังงานที่ต่างกัน โดยอิเล็กตรอนที่อยู่ในวงโคจรที่ห่างจากนิวเคลียสมากกว่าหรือที่เรียกว่าวงนอกก็จะมีพลังงานมากกว่าอิเล็กตรอนวงใน

         ในกรณีที่อะตอมได้รับพลังงานจากภายนอก อิเล็กตรอนก็จะมีการกระโดดจากวงโคจรในออกสู่วงโคจรนอก ส่วนในกรณีที่อิเล็กตรอนกระโดดจากวงโคจรนอกเข้าสู่วงโคจรในมันจะปลดปล่อยพลังงานออกมาซึ่งพลังงานดังกล่าวก็จะอยู่ในรูปแสงนั่นเอง

         ขณะที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านรอยต่อไปที่ Holes ในชั้น P-Type อิเล็กตรอนจะตกจากวงโคจรแถบนำไฟฟ้า (Conduction Band) ไปสู่วงจรที่ต่ำกว่า ดังนั้นจะปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปของโฟตอน โดยเหตุการณืลักษณะนี้สามารถเกิดขึ้นกับไดโอดชนิดใดๆ ก็ได้ แต่เราสามารถมองเห็นแสงได้ในกรณีที่ความถี่ของโฟตอนอยู่ในช่วงความถี่ที่ต่ำซึ่งตาสามารถมองเห็นได้เท่านั้น เช่น ไดโอดที่มำจากซิลิคอน แต่ไดโอดบางประเภทที่ความถี่ของโฟตอนอยู่ในช่วงความถี่ที่ตาไม่สามารถมองเห็นได้ ก็มีประโยชน์เช่นกัน เช่น ช่วงอินฟราเรดซึ่งสามารถนำไปใช้ในเครื่องควบคุมระยะไกลหรือรีโมทคอนโทรลได้

         ในการนำไปประยุกต์ใช้ประโยชน์ของแสงที่เกิดจากหลอด LED นั้น เราต้องควบคุมทิศทางของแสงที่กระจัดกระจายและไม่เป็นระเบียบโดยใช้พลาสติกหุ้มในหลอด LED ซึ่งจะทำให้แสงสามารถสะท้อนออกไปเป็นระเบียบและสะท้อนออกไปยังตำแหน่งที่ต้องการได้

 

การนำหลอด LED ไปใช้ในไฟยานยนต์

         ในปัจจุบันเทคโนโลยีที่นำมาใช้อย่างแพร่หลายในไฟยานยนต์นั้นคือเทคโนโลยีหลอดไส้ (Filament) โดยเฉพาะหลอดฮาโลเจน สำหรับเทคโนโลยีอีกประเภทหนึ่งที่น่าสนใจก็คือเทคโนโลยีแก๊สดีสชาร์จ (Gas Discharge Lamps) ที่นำมาใช้ในไฟหน้า เนื่องจากความสว่างที่มากกว่าหลอดฮาโลเจนถึงประมาณ 200% แต่ต้องการพลังงานเพียงหนึ่งในสามของหลอดฮาโลเจน

         อย่างไรก็ตามเทคโนโลยีที่กำลังมาแรงในขณะนี้อีกอย่างหนึ่งก็คือเทคโนโลยีหลอด LED ที่เริ่มมีการนำมาใช้ในไฟยานยนต์ โดยปัจจุบันก็เริ่มมีการนำมาใช้ในไฟหน้ายานยนต์ด้วย สำหรับตัวอย่างยานยนต์ที่นำเทคโนโลยีมาใช้บ้างแล้ว เช่น รถยนต์รุ่น Audi R8 (Full-LED Headlamp) ซึ่งในปัจจุบันมีจำหน่ายในประเทศเยอรมนี

 

ข้อได้เปรียบของหลอด LED

 

1.       หลอด LED ไม่ต้องใช้การเผาไหม้ของไส้หลอดจึงมีอายุการใช้งานนานกว่า

2.       การใช้พลาสติกหุ้มช่วยให้มีความทนทานและง่ายต่อการประกอบลงในแผ่นวงจรไฟฟ้า

3.       มีการสูญเสียพลังงานน้อยทำให้มีประสิทธิภาพการใช้งานที่สูงโดยการใช้หลอด LED นั้นมี

ประสิทธิภาพสูงถึง 20 % ในการแปลงพลังงานที่ใส่เข้าไป (Input) มาเป็นแสงไฟ (ที่เหลือจะใช้ในการกำเนิดพลังงานความร้อนภายในสารกึ่งตัวนำขณะที่หลอดไส้ (Filament) มีประสิทธิภาพเพียง 5 %

4.       ราคามีแนวโน้มลดลงเรื่อยๆ

5.       มีการบริโภคพลังงานน้อยกว่า อาทิ ในกรณีของไฟ Daytime Running Light ที่ใช้หลอด LED นั้นม

การบริโภคพลังงานเพียง 14 วัตต์ ขณะที่ไฟในลักษณะเดียวกันที่ใช้ในปัจจุบันมีความต้องการในการบริโภคถึง 300 วัตต์

6.       การใช้งานหลอด LED ยังเป็นการเพิ่มพื้นที่ในการออกแบบไฟอย่างมีประสิทธิภาพรวมถึงเพิ่มความ

หลากหลายในการออกแบบ

7.       การที่หลอด LED มีความต้องการบริโภคพลังงานน้อยก็ทำให้มีส่วนในการประหยัดน้ำมันเชื้อเพลิงใน

ยานยนต์ด้วย

         เป็นอย่างไรกันบ้างครับสำหรับเทคโนโลยีหลอด LED สำหรับผู้เขียนแล้ว เห็นว่าน่าจะเป็นเทคโนโลยีที่มีบทบาทสำคัญในการใช้ในไฟยานยนต์ในอนาคตอันใกล้อย่างแน่นอน