แกะกล่องหลอดไฟ LED : เปิดไฟให้โลกรู้จักโครงสร้างที่ซ่อนอยู่

           จากศตวรรษที่ 19 อันเป็นยุคบุกเบิกหนึ่งในนวัตกรรมใหม่ของมวลมนุษยชาติ อย่าง “หลอดไฟ” นำทีมโดย “โทมัส อัลวา เอดิสัน” ที่พยายามครั้งแล้วครั้งเล่าจนบางบันทึกนำมาร้อยเรียงเป็นประโยคชื่อดังตลอดกาลที่ว่า “ฉันไม่ได้ล้มเหลว ฉันแค่ค้นพบ 10,000 วิธีที่ไม่ได้ผล” ซึ่งสื่อให้เห็นถึงความบากบั่นของเจ้าตัว และเป็นหนึ่งในแบบอย่างความพยายามที่ควรค่าแก่การศึกษาและหากใครทำตามเป็นเยี่ยงอย่างได้ก็นับว่ายอดเยี่ยม

           โทมัส เอดิสัน ริเริ่มการประกอบหลอดไฟด้วยกับหลอดที่เรียกกันว่า “หลอดไส้” หรือ “Incandescent Lamp” ซึ่งเป็นหลอดไฟชนิดที่ใช้ไส้หลอดเป็นตัวเปล่งแสง หากไส้หลอดขาดจะไม่มีแสงสว่างออกมา โดยไส้หลอดที่ใช้ให้แสงสว่างมาจากทังสเตน (ทังสเตน เป็นโลหะที่มีจุดหลอมเหลวสูงสุดและแกร่งที่สุด) ภายในหลอดบรรจุด้วยแก๊สไนโตรเจนและแก๊สอาร์กอน (แก๊สเฉื่อย) เข้าไปแทนที่หลังจากดูดอากาศจากภายในหลอดออกจนหมด ซึ่งในโครงสร้างนั้น แลเห็นจะมีก็ ไส้หลอด ขั้วหลอด และกระเปาะแก้ว ภายในกระเปาะเป็นที่บรรจุก๊าซจำพวกก๊าซเฉื่อย เช่น อาร์กอน หรือ ไนโตรเจน เอาไว้เพื่อไม่ให้ไส้หลอดที่ร้อนแดงจนทำปฏิกิริยาเผาไหม้กับอากาศในกระเปาะแก้ว ซึ่งจะทำให้หลอดขาดเร็วยิ่งขึ้น

           ตามที่กล่าวมา เมื่อเทียบกับในปัจจุบันนี้ จากจุดเริ่มต้นที่หลอดไส้ มาสู่การใช้หลอดไฟ LED กันทั่วสารทิศ (อาจยังคงมีใช้แบบอื่นบ้างประปราย) เพียงลองสังเกตสิ่งรอบข้าง หรือใครที่เคยขับรถผ่านถนนยามค่ำคืนแล้วเห็นแสงไฟที่กระจ่างสวยงาม ดังกล่าวนั้นคือแสงจากหลอดไฟ LED แทบจะทั้งสิ้น (หรืออาจทั้งสิ้นไปแล้ว) ส่วนหนึ่งที่ช่วยให้หลอดไฟ LED มีอัตราการเติบโตที่สูงขึ้นมากจากเมื่อหลายปีก่อน เนื่องมาจากปัจจุบัน ราคาสินค้าในกลุ่มของโคมไฟ LED มีราคาถูกลงเป็นอย่างมาก เช่น มีการใช้วัสดุที่มีต้นทุนต่ำลง อย่างการใช้เลนส์กระจายแสงที่ผลิตจากพลาสติกคุณภาพสูงแทนการใช้กระจกราคาแพง รวมถึงฮีทซิงค์ที่หันมาใช้โลหะเบาและมีราคาถูกกว่าเดิม ซึ่งมีประสิทธิภาพการทำงานที่มากยิ่งขึ้นจากหลอดไฟชนิดที่ผ่านๆ มาในยุคก่อน  ซึ่งหากผู้อ่านต้องการรับทราบถึงที่มีมาและพัฒนาการของหลอดไฟ [สามารถเข้ามาอ่านได้ที่ลิงก์นี้]

ไฟ LED ประกอบไปด้วยอะไรบ้าง?

เมื่อผู้อ่านพอจะมีความเข้าใจเรื่องหลอดไฟ LED ในระดับหนึ่งแล้ว ครานี้จะเริ่มมาดูรายละเอียดที่คนทั่วไปพอจะทำความเข้าใจได้เกี่ยวกับเรื่องนี้มาให้ลองศึกษาและเรียนรู้ไปพร้อมกัน ซึ่งส่วนของไฟ LED ไม่ว่าจะใช้กับงานใดก็ตาม เช่น LED Street Light, LED High Bay, LED Flood Light หรือแบบใดๆ ก็ตามแต่ สำหรับการออกแบบนั้น ทั้งรูปแบบที่ใช้ไฟฟ้าระบบกระแสตรง DC หรือ ไฟฟ้าระบบกระแสสลับ AC จะมีส่วนประกอบด้วยกันเป็นหลักอยู่ 3 ประเภท ขณะที่โคมไฟที่เป็นกระแสสลับ จะมีส่วนหลักเพิ่มมากอีก 1 ชิ้น คือ อุปกรณ์สำหรับแปลงไฟ หรือ ไดรเวอร์ (Driver) เพื่อแปลงจากระบบไฟบ้านให้กลายเป็นไฟกระแสตรง จนสามารถทำให้หลอดไฟทำงานได้ จึงขอชี้แจงไว้ก่อนว่าผู้เขียนจะรวบยอดว่าเป็นองค์ประกอบทั้ง 4 ซึ่งข้อมูลที่ได้รับการอธิบายจากเว็บไซต์ LED Project X เป็นข้อมูลที่ข้าฯ เห็นว่าสามารถทำความเข้าใจได้ไม่ยากนักสำหรับคนทั่วไปที่จะเริ่มศึกษา จึงมาเรียบเรียงนำเสนอไว้ ซึ่งองค์ประกอบดังกล่าว มีดังนี้

1. บอดี้ของโคมไฟ และ Heatsink

           บอดี้ของโคมไฟถือเป็นส่วนประกอบหลักที่สำคัญมาก ที่ไม่ใช่แค่มีไว้สำหรับความสวยงามของรูปร่างโคมไฟ แต่รูปร่างดังกล่าวจะมีผลต่ออายุการใช้งานของ Chip LED (เป็นอีกองค์ประกอบหนึ่งที่จะกล่าวถัดไป) โดยตรง เนื่องจากเม็ด Chip LED จำนวนมากที่ติดบนแผ่น PCB ที่จะติดกับตัวบอดี้ของโคมไฟอีกทีหนึ่ง เพื่อระบายความร้อนจาก Chip LED สู่บอดี้ของโคมไฟ ซึ่งจะมีมากหรือน้อยนั้นย่อมขึ้นอยู่กับผู้ออกแบบ

           ด้วยเหตุนี้ ไม่ว่าจะเป็นโคมไฟชนิดใด ถ้ายิ่งมีกำลังไฟของตัวโคมที่ใช้กำลังวัตต์มาก ความร้อนของ Chip LED ก็จะมากขึ้น การถ่ายเทความร้อนจึงจำเป็นต้องมีความเหมาะสมกับสภาพ เพราะถ้ามีการสะสมความร้อนมากเกินไปก็จะทำให้ Chip LED เสื่อมสภาพเร็วขึ้นด้วยและเมื่อเป็นโคมไฟที่บอดี้ใหญ่ (เช่นโคมไฟบนท้องถนน) ใช้ไฟเยอะ ส่วนหนึ่งที่สำคัญอีกอย่างในหมวดนี้ก็คือ Heatsink สำหรับระบายความร้อน

           กล่าวถัดมาจากบอดี้คือ การระบายความร้อน ซึ่งจะใช้เป็นการระบายความร้อนแบบ Passive Cooling หรือก็คือ การระบายความร้อนแบบถ่ายเทอากาศ ที่จะให้อากาศไหลเวียน เมื่อหลอดไฟมีความร้อนขึ้น ตัวความร้อนจะส่งผ่านมาที่ตัวบอดี้ หรือ Heatsink อีกที ทำให้ Heatsink มีความร้อน อากาศร้อนรอบๆ จะเริ่มจะเริ่มกระบวนการถ่ายเทความร้อนและลอยตัว ทำให้อากาศที่เย็นกว่าเข้ามาแทนในส่วนที่ลอยตัวจึงทำให้เกิดการระบายความร้อนแบบ Passive Cooling ขึ้น

ขอบคุณภาพ Body จาก : ไฟถนน LED กับไฟถนนธรรมดา: อะไรคือความแตกต่าง? - วอร์เลน

ขอบคุณภาพ Heatsink จาก : แผงระบายความร้อน LED คืออะไร และทำไมจึงสำคัญ - LEDYi Lighting

           2. หลอดแอลอีดี / Chip LED

                       หลอด แอลอีดี หรือ Chip LED ชิ้นนี้ถือเป็นส่วนประกอบสำคัญอีกชิ้นหนึ่ง เป็นที่นิยมทั้งในปัจจุบันนี้และมีการคาดการณ์ว่าจะยังคงได้รับความนิยมต่อไปในอนาคต เนื่องจากหลอดแอลอีดีมีคุณสมบัติที่สามารถนำมาใช้ในงานแสงสว่างได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าหลอดไฟแบบอื่นๆ และมีอายุการใช้งานที่ยาวนาน ส่วนหนึ่งมาจากการออกแบบมาให้กระจายความร้อนได้ดี (หากไม่ได้รับความร้อนมากจนเกินไป) และยังให้ค่าความสว่างต่อกำลังวัตต์มากกว่าหลอดไปทุกประเภทในท้องตลาด ณ ตอนนี้

                       ปัจจุบัน Chip LED จะมีอยู่ด้วยกัน 2 ประเภทหลักๆ ได้แก่

                          - Chip SMD (Surface Mounted Device) : ประเภทนี้ถูกออกแบบมาให้ใช้สำหรับวางบนแผ่น PCB โดยที่ตัวชิพ จะบาง เล็ก และไม่มีขา สามารถจัดเรียงได้หลายรูปแบบ ขึ้นอยู่กับลักษณะของตัวโคมไฟหรือคนออกแบบ

                          - Chip COB (Chip On Board) : คือการนำชิพ LED หลายๆ ชิพมารวมกันแล้วติดเป็นชิ้นเดียว เพื่อเน้นค่าความสว่างและพื้นที่ของการเรียงชิพ

ขอบคุณภาพจาก STM Academy : LED แบบ SMD หรือ COB เลือกแบบไหนดี | STM Academy

3. เลนส์กระจายแสง

                       เป็นหนึ่งในส่วนที่ไม่ค่อยได้รับการกล่าวถึงสักเท่าใดนัก เมื่อเทียบกับอุปกรณ์ชิ้นอื่นๆ ซึ่งความสำคัญของเลนส์กระจายแสงมีอยู่ว่า “ยิ่งกระจายแสงได้ไกล ก็ไม่ต้องติดเสาไฟเพิ่มเยอะ” ลองดูตัวอย่างนะครับ

                       ต้องการติดเสาไฟในระยะทาง 1 กิโลเมตร หากเสาไฟสูง 6 เมตร  และใช้เลนส์ที่มีมุมกระจายแสงอยู่ที่ 90-100 องศา ภายในระยะทาง 1 กิโลเมตรเท่ากับจะต้องติดตั้งเสาไฟราว 34-35 ต้น ที่ระยะห่างประมาณ 30 เมตร เพื่อให้ความสว่างของโคมไฟทั่วถึง

                       ทางกลับกัน หากมีการเลือกใช้เลนส์หรือมุมของการกระจายแสงของโคมไฟที่ 140-150 องศา ในความสูง 6 เมตรเท่าเดิม จำนวนเสาไฟก็จะลดลงไปโดยปริยาย การกระจายและความสว่างก็จะเพิ่มขึ้นตามองศาของเลนส์ ทำให้จำนวนเสาไฟจะลดลงเหลือราวๆ 28-30 ต้น ซึ่งช่วยลงงบประมาณลงไปได้อีกมาก และยิ่งหากเพิ่มความสูงของเสาไฟไปอีก ก็อาจลดจำนวนเสาไฟได้เลหือราว 25-26 ต้น โดยติดเสาไฟห่างกันที่ระยะ 40 เมตรได้เลย

ขอบคุณภาพจาก LED Project X : องค์ประกอบของโคมไฟแอลอีดีและคำศัพท์ต่างๆ ของ LED - LED & Solar Cell Street Light : Inspired by LnwShop.com

4. ไดรเวอร์ Driver (สำหรับโคมไฟที่ใช้ไฟกระแสสลับ AC)

           ชิ้นส่วนนี้จะมีหน้าที่คือการแปลงไฟจากระบบไฟบ้าน เป็นไฟกระแสตรง ซึ่งจะมีขนาดแรงดันเท่าใดก็ได้ ขึ้นอยู่กับสเปคของตัวไดรเวอร์ ซึ่งการเลือกใช้ไดรเวอร์ก็เป็ส่วนสำคัญเช่นเดียวกัน เพราะถือเป็นอุปกรณ์จ่ายไฟหลักให้กับระบบการทำงาน เพื่อทำให้ Chip LED ที่อยู่ในโคมไฟสามารถทำงานได้ เนื่องจากหลอดแอลอีดีส่วนมากแล้วต้องการไฟกระแสตรงเพื่อให้สามารถทำงานได้

ขอบคุณภาพจาก Factory Max : ข้อความใหม่ 1 ข้อความ

           ดังที่กล่าวมาข้างต้น เป็นพื้นฐานสำหรับการศึกษาประเด็นส่วนประกอบของ LED Street Light ที่ควรค่าแก่การรับรู้

           จากการวิวัฒนาการของหลอดไส้ในยุคแรก สู่ความซับซ้อนมิติใหม่ในยุคหลัง หากแต่สิ่งที่พัฒนาคือประสิทธิภาพการทำงานที่มากขึ้น ดีขึ้น และแพร่หลายมากยิ่งขึ้น ราคาของโคมไฟ LED ถูกลงเพราะเทคโนโลยีมีความก้าวหน้า มีการผลิตที่มีคุณภาพสูง แต่แล้วเล่าก็มีการแข่งขันที่ดุเดือดในวงการหลอดไฟแต่ละแบรนด์ ตลอดจนการขับเคลื่อนพัฒนาผลิตภัณฑ์ที่ช่วยผลักดันให้ตลาดหลอดไฟเติบโต ทั้งหมดทั้งมวลนี้จึงกลายเป็นสิ่งที่บางที เรามีความรู้ด้านนี้ติดไว้สักหน่อยก็ไม่เสียหลาย เจอกันกับบทความหลอดไฟชิ้นต่อไปครับ

Reference

1 : ______. (ม.ป.ป.). 6.การติดตั้งหลอดไส้. 06.pdf

2 : สภาการเหมืองแร่. (1 เมษายน 2021). ทังสเตน : โลหะที่มีจุดหลอมเหลว สูงสุด และแกร่งที่สุด. ทังสเตน : โลหะที่มีจุดหลอมเหลว สูงสุด และแกร่งที่สุด – สภาการเหมืองแร่

3 : LED Project X. (21 กรกฎาคม 2562). องค์ประกอบของโคมไฟแอลอีดีและคำศัพท์ต่างๆ ของ LED. องค์ประกอบของโคมไฟแอลอีดีและคำศัพท์ต่างๆ ของ LED - LED & Solar Cell Street Light : Inspired by LnwShop.com

4 : Teacher.co. (ม.ป.ป.). ไฟเส้น LED ระบบ AC และ DC 12V - 24V แตกต่างกันอย่างไร. ไฟเส้น LED ระบบ AC และ DC 12V - 24V แตกต่างกันอย่างไร

5 : ฮานีฟ ไวยศิลป์. (27 ธันวาคม 2567). พื้นเพรากฐาน ประตูสู่ความเข้าใจเรื่อง: LED Street Light. Contributor.lib.kmutt.ac.th. พื้นเพรากฐาน ประตูสู่ความเข้าใจเรื่อง: LED Street Light - Contributor Platform

6 : STM Academy. (19 January 2024). LED แบบ SMD หรือ COB เลือกแบบไหนดี. LED แบบ SMD หรือ COB เลือกแบบไหนดี | STM Academy

7 : Factory Max. (ม.ป.ป.). 3 สาเหตุหลักที่ทำให้ LED มีปัญหาและเสียหายบ่อยครั้ง. 3 สาเหตุหลักที่ทำให้ LED มีปัญหาและเสียหายบ่อยครั้ง - เครื่องมือตัดเฉือนโลหะ เครื่องมือวัด เครื่องจักรและเครื่องมืออุตสาหกรรม

8 : สตีเว่น เหลียง. (29 พฤศจิกายน 2024). ไฟถนน LED กับไฟถนนธรรมดา: อะไรคือความแตกต่าง?. Vorlane. ไฟถนน LED กับไฟถนนธรรมดา: อะไรคือความแตกต่าง? - วอร์เลน

9 : มาร์ติน วาน. (16 กุมภาพันธ์ 2023). LED Heat Sink: คืออะไรและทำไมจึงสำคัญ?. LED YI. แผงระบายความร้อน LED คืออะไร และทำไมจึงสำคัญ - LEDYi Lighting