Đề tài laser lighting system on cars

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC oOo - TIỂU LUẬN Đề tài: Laser lighting system on cars Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Đỗ Văn Dũng Sinh viên thực hiện: Thái Khắc Sơn – 20145598 Phạm Cao Sang – 20145596 Mã lớp học: AEES330233_22_1_09CLC TPHCM, Tháng 11, năm 2022 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… …………………………………… Điểm:…………… KÝ TÊN MỤC LỤC Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ LASER Chương 2: LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN NGUỒN SÁNG Chương 3: PHÂN LOẠI Chương 4: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG ĐÈN LASER 4.1 Cấu tạo 4.2 Nguyên lý hoạt động Chương 5: Ưu điểm nhược điểm 5.1 Ưu điểm 5.2 Nhược điểm Chương 6: KẾT LUẬN Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ LASER Laser chữ viết tắt cụm từ “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” nghĩa khuếch đại ánh sáng xạ kích hoạt Có thể hiểu đơn giản nguồn ánh sáng tạo trường hợp dựa vào khuếch đại ánh sáng xạ phát Laser loại ánh sáng đặc biệt nên ứng dụng phổ biến nhiều lĩnh vực Đèn laser thiết bị nhiều người biết đến với sử dụng Chẳng hạn với Bi laser ô tô tạo nên từ model nhỏ bên Phía diot laser phát chùm tia sáng đơn sắc xanh Cấu tạo đèn có phần Chương 2: LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN NGUỒN SÁNG ❖ Lửa: Tặng vật Prometheus Nguồn sáng nhân tạo lửa Theo Thần thoại Hy Lạp, thần Prometheus ban tặng lửa cho loài người Lửa phục vụ người nguồn sáng cố định, bó đuốc trở thành dạng “lửa cầm tay” di chuyển Thiết kế lửa thay đổi theo thời gian: từ búi lửa đơn giản rút từ đống lửa que quấn giẻ ngâm dầu mỏ, mỡ dầu ăn Đuốc phát minh cổ xưa người ta cho tồn khoảng triệu năm Ngày đuốc sử dụng dù không phổ biến Hậu duệ xa xăm bó đuốc ngày sử dụng khí đốt để châm lửa Olympic, cịn pháo sáng quân đội, thợ săn du khách sử dụng để nghi trang hay báo hiệu vào ban đêm Ngoài đuốc thời kỳ đồ đá, nhân loại phát minh đèn dầu - bình chứa đầy mỡ dầu ăn, với bấc ngâm (bằng gai vải), lửa thắp sáng đầu bấc Ở thiên niên kỷ thứ ba trước Công Nguyên xuất nến mỡ động vật dạng rắn chảy tan dần với bấc bên đốt Vào thời trung cổ, dầu cá voi sáp ong sử dụng làm nguyên liệu cho nến, thời sử dụng parafin cho việc Đuốc, nến đèn dầu cho ánh sáng yếu Quang phổ lửa không gian mở khác so với quang phổ Mặt Trời mà thiên nhiên “rèn giũa” mắt người Phần lớn xạ rơi vào dải nhiệt (hồng ngoại) Ánh sáng nhìn thấy xạ chủ yếu nhờ phần tử carbon đốt nóng lửa nhiệt độ cao Phổ lửa dải nhìn thấy chiếm phần dải màu vàng màu đỏ Làm việc ánh sáng gần nhiều công xưởng thời trung cổ cấm làm cơng việc cần tầm nhìn vào ban đêm ánh sáng nhân tạo, chất lượng sản phẩm bị giảm nhiều ❖ Đèn khí đốt thắp sáng phố phường Vào kỷ 19, chiếu sáng khí đốt sử dụng rộng rãi Năm 1807, đèn đường khí đốt thắp sáng Pall Mall, phố trung tâm London Đến năm 1823, 340 km tổng chiều dài phố phường London chiếu sáng 40.000 đèn khí đốt Chúng thắp sáng thủ công đêm người thợ chuyên biệt cho công việc này, họ gọi người thợ đốt đèn Nghề nghiệp phải tuyển lựa khắt khe số nước cơng việc vinh dự Tuy nhiên, chiếu sáng khí đốt khơng hiệu Vấn đề nằm chỗ, lửa đốt oxy cho ánh sáng rực rỡ lại nhiều khói, cịn lửa khơng khói (khi dư oxy) thực tế lại khơng nhìn rõ Vào năm 1885, Wellsbach (Freiherr von Welsbach) đề xuất sử dụng lưới đốt - túi vải tẩm dung dịch chất vô (nhiều loại muối khác nhau) Khi bị đốt, túi vải cháy “bộ khung” mỏng lại phát sáng rực rỡ Đến cuối kỷ 19, đèn dầu lửa xuất mà ngày cịn thấy Phần lớn chúng trang bị lưới đốt mà tạo nên từ kim loại amiăng ❖ Những bước đèn điện Nguồn phát sáng điện thật kỳ cục lại đèn chiếu sáng pin Thật ra, ánh sáng phát xạ chưa phải bóng đèn sợi đốt, mà vầng hồ quang điện điện cực carbon, cịn pin chiếm diện tích cỡ bàn làm việc Năm 1809, Humphry Davy trình diễn ánh sáng hồ quang hình cung Viện Khoa học Hồng gia London Thời điểm cịn chưa có máy phát điện (Faraday phát minh tượng cảm ứng điện vào năm 1832) pin nguồn lượng điện Năm 1878, Pavel Yablochkov cải tiến thiết kế cách đặt điện cực theo chiều dọc chia tách chúng lớp cách điện Thiết kế có tên gọi “nến Yablochkov” nhanh chóng sử dụng toàn giới Nhà hát opera Paris chiếu sáng nhờ “ngọn nến” Hồ quang điện cho phổ ánh sáng cân chí sáng chói, nên người ta sớm ưa chuộng sử dụng rộng rãi Cho tới năm 1884, thành phố lớn Mỹ chiếu sáng 90.000 bóng đèn hồ quang ❖ Dây tóc bóng đèn Hầu hết người gán việc phát minh đèn sợi đốt với tên tuổi Edison Tuy nhiên, bất chấp công trạng lớn lao lĩnh vực này, ông người phát minh đèn điện Chiếc đèn sợi đốt giống đồ trang sức tác phẩm nghệ thuật, độ phức tạp sản xuất giá thành Rất lâu trước Edison, vào năm 1820, Warren De la Rue đặt sợi dây bạch kim vào bình thủy tinh hút hết khơng khí truyền dịng điện qua Thành cơng đấy, đèn bạch kim Nó đắt việc sử dụng rộng rãi Nhiều nhà sáng chế thử nghiệm với loại vật liệu khác Năm 1879, cách độc lập với nhau, Joseph Sven Thomas Edison phát triển loại đèn sợi đốt sợi carbon Với phát minh mình, Edison tổ chức buổi trình diễn cực lớn: vào đêm trước năm 1880, ông sử dụng 100 đèn để chiếu sáng đường phố, phịng thí nghiệm cá nhân nhà ga thị trấn Menlo Park Các toa xe lửa chật cứng người muốn tới để nhìn thấy điều kỳ diệu này, tuyến đường sắt Pennsylvania chí phải tăng thêm nhiều chuyến tàu tới New Jersey Đèn Edison hoạt động khoảng 100 giờ, tiêu thụ 100W phát luồng sáng cường độ 16 candela (để so sánh, đèn sợi đốt 100W đại cho ánh sáng với công suất cỡ 100-140 candela) Sự cải tiến đèn điện diễn theo hai hướng: dây tóc carbon thay vào năm 1907 vonfram từ năm 1913 trở đèn bơm đầy khí trơ (lúc đầu khí nitơ, sau chuyển sang khí argon krypton) Cả hai cải tiến thực phịng thí nghiệm hãng General Electric, thành lập Thomas Edison Đèn sợi đốt đại mà biết sử dụng rộng rãi sống hàng ngày, nhiên khơng thể nói ánh sáng lý tưởng: dịch chuyển sang dải màu đỏ hồng ngoại quang phổ Hiệu khiêm tốn: hiệu suất thắp sáng từ 1% đến 4% Theo nghĩa này, đèn sợi đốt thiết bị sưởi ấm thiết bị chiếu sáng ❖ Đèn nhân nhồi Ngoài hiệu suất thấp, đèn sợi đốt thơng thường cịn có nhược điểm nghiêm trọng khác: trình hoạt động, vonfram bay dần từ bề mặt nung nóng dây tóc lắng cặn xuống thành bóng đèn Khi bóng đèn “nhuốm màu”, làm suy yếu công suất ánh sáng, bay vonfram từ bề mặt dây tóc tuổi thọ bóng đèn bị giảm đèn xenon quen thuộc với lái xe (mà xe đại trang bị) - đèn phóng điện khí áp suất cực cao ❖ Đèn quảng cáo Theo truyền thống, biển hiệu quảng cáo làm ống đầy khí hình cong gọi neon Đây đèn phóng điện khí, dựa loại phóng điện khác phóng điện âm ỉ Cường độ phát sáng chúng khơng lớn Tùy thuộc vào khí bơm bên trong, chúng phát sáng với màu khác (đặc thù đèn neon màu đỏ-cam) ❖ Đèn LED Nói nguồn sáng tự trị người ta khơng thể khơng nhắc tới đèn LED Đây thiết bị bán dẫn tạo (khi dòng điện qua chúng) xạ quang học Bức xạ đèn LED mắt người nhìn nhận đơn sắc Màu xạ xác định vật liệu bán dẫn sử dụng chất dẫn xuất Do hiệu suất cao, dòng điện điện áp hoạt động thấp, đèn LED vật liệu tuyệt vời để sản xuất nguồn ánh sáng tự trị ❖ Laser Laser phát triển độc lập nhà vật lý người Mỹ Townes nhà vật lý Liên Xô Basov Prokhorov vào năm 1960 Laser cho chùm hẹp xạ đơn sắc (bước sóng đơn) mạnh Laser khơng sử dụng cho chiếu sáng công cộng, với ứng dụng chuyên biệt ví dụ show biểu diễn ánh sáng khơng có đối thủ ngang tầm Tùy thuộc vào loại chất sử dụng nguyên lý chế tạo, xạ laser có màu sắc khác Trong sống hàng ngày, laser bán dẫn thường sử dụng - chúng họ hàng gần gũi với đèn LED Chương 3: Phân loại Hiện có cơng nghệ chiếu sáng xe đèn halogen, xenon, LED laser Đèn pha halogen trang bị phổ biến cho ô tô Một số ô tô cao cấp trang bị đèn pha xenon hay LED công nghệ đèn pha laser Mỗi loại cơng nghệ có ưu nhược điểm riêng Có thể nhận thấy điểm khác biệt loại đèn màu sắc cường độ ánh sáng ● Đèn LED có màu sắc ánh sáng vào khoảng 6.000 độ K trở lên, phát tia sáng trắng ánh sáng ban ngày ● Đèn xenon phát ánh sáng khoảng 4.500 độ K ● Các đèn pha halogen chiếu tia sáng màu vàng với nhiệt độ 3.200 độ K Qua Bài viết sau đây, CARVIET phân tích ưu nhược điểm loại đèn pha ô tô giúp khách hàng có lựa chọn tốt cho xe ĐÈN HALOGEN Đèn halogen sử dụng phổ biến thị trường loại đèn pha ô tô tìm thấy đa số mẫu xe Bởi ưu điểm : ● Chi phí thấp ● Dễ thay ● Kích thước phong phú ● Cấu tạo đơn giản ● Tuổi thọ trung bình cao khoảng 1.000 có cơng suất khoảng 55 W điều kiện chiếu sáng thông thường Tuy nhiên tồn nhược điểm : ● Tiêu tốn lượng đa số lượng bị biến thành nhiệt vơ ích thay quang ● Bóng đèn halogen, qua thời gian sử dụng nhiệt độ cao khiến vonfram bốc đọng lại lớp thủy tinh gây thủng bóng đèn Khi chức chiếu sáng bóng đèn coi khơng cịn ● Địi hỏi đặc biệt lưu ý thao tác bảo dưỡng ĐÈN XENON Bóng đèn Xenon hệ thống ánh sáng có cường độ cao Đèn Xenon tạo luồng sáng sáng đèn Halogen tỏa nhiệt So với bóng Halogen, đèn Xenon có ưu điểm ● Sáng hơn, bền đèn Halogen ● Tuổi thọ bình qn 2.000 giờ, nhiệt độ màu bóng vào khoảng 4.300 độ Kelvin, tức gần với ánh sáng ban ngày ● Cải thiện tầm nhìn rõ rệt: đèn xenon tạo ánh sáng màu xanh-trắng cường độ sáng cao Gấp từ đến lần đèn halogen ● Chi phí giá thành hợp lí Nhược điểm: ● Chiếu sáng chói gây ảnh hưởng giao thơng đường ● Hệ thống phức tạp bóng đèn halogen ● Mất thời gian để chiếu sáng mạnh ĐÈN LED Led đèn pha công nghệ phát triển gần đây, thay phát sáng khí xenon hay sợi đốt halogen, đèn pha Led phát sáng thông qua diode nhỏ có dịng điện kích thích Loại đèn pha có nguồn lương nhỏ phát lượng nhiệt đáng kể diode Điều gây rủi ro tiềm ẩn cho chi tiết lắp ghép cạnh cáp kết nối Đó lý đèn pha LED cần hệ thống làm mát giống tản nhiệt quạt để tránh tượng tan chảy Đèn pha LED gồm bóng LED có kích cỡ nhỏ chế tạo với hình dạng Hơn nữa, loại ánh sáng đèn pha LED ánh sáng định hướng khuếch tán nên loại đèn pha chất lượng tốt Tuy nói cường độ sáng khơng xenon có ưu điểm về: ● Nhỏ gọn, hoạt động hiệu với nhiều hình dáng đa dạng ● Tiêu thụ điện ● Ánh sáng định hướng không khuếch tán ● Một lợi điểm LED đạt độ sáng tối đa cực nhanh Chỉ vài phần triệu giây Đó lí LED thường dùng cho đèn báo rẽ đèn hậu Chúng giúp tăng thời gian phản ứng lái xe khác lên 30% Một số nhà sản xuất tuyên bố tuổi thọ đèn LED họ lên đến 15.000 Nhược điểm: ● Chi phí sản xuất cao ● Tỏa nhiệt lớn chi tiết liền kề ● Thiết kế phức tạp chịu nhiệt độ cao khoang động ĐÈN LASER Đây công nghệ chiếu sáng xe Hiện có mẫu siêu xe, BMW i8 hay Audi R8, trang bị công nghệ Cũng cần lưu ý gọi đèn laser thực chất ánh sáng phát từ khơng phải tia laser Thay vào đó, tia laser chiếu vào thấu kính có chứa khí phốt bên Chất khí bị kích thích phát sáng Đèn laser cho tạo luồng sáng gấp 1.000 lần đèn pha LED Trong tiêu tốn khoảng 2/3 (hoặc chí 1/2) cơng suất Và nhờ có khí phốt pho, nhiệt độ màu ánh sáng (5.500 – 6.000K) gần với nhiệt độ màu ánh sáng tự nhiên (khoảng 6.500K) Chương 4: Cấu tạo nguyên lý hoạt động đèn laser 4.1 Cấu tạo Khác với cấu tạo loại đèn hệ trước, đèn bi laser tăng sáng có điểm khác biệt gồm phần chính: Nguồn bơm hay cịn gọi nguồn lượng: Đây nơi cung cấp lượng cho hệ thống đèn chiếu sáng ô tô Môi trường kích thích yếu tố định để chọn nguồn bơm Điều quan trọng nguồn bơm mơi trường tích hợp định lượng truyền vào (hay gọi độ sáng đèn bi laser, đèn pha/cos/gầm) Mơi trường kích (mơi trường laser): Hiện nay, có nhiều mơi trường laser khác lỏng, rắn, khí, bán dẫn… Về chất bước sóng phát sáng, ánh sáng đèn bi laser phụ thuộc hồn vào mơi trường kích thích Gương hệ thống gương: Vai trò phần tạo nên hệ thống khuếch đại ánh sáng cho tia laser Do môi trường laser đa dạng từ lỏng, khí, rắn, đến bán dẫn nên cách thức tạo đèn bi laser có nhiều điểm khác biệt 4.2 Nguyên lý hoạt động Bản chất đèn bi laser phát sáng từ khơng phải từ tia laser Tia laser hoạt động theo nguyên lý gom tụ điểm chiếu tập trung vào thấu kính hội tụ chứa photpho màu vàng, xa khuếch tán Chính mơi trường laser (là photpho) nhận ánh sáng tia laser sau tự kích phát sáng Tia laser có khả chiếu xa tối đa lên đến 600m Lợi đèn bi laser ô tô giúp người lái xe dễ quan sát người đường, vật cản, đảm bảo an tồn tham gia giao thơng đường Đèn bi laser ô tô phát minh có tính bước ngoặt, chuyển giao cơng nghệ đại Nguyên lý khuếch đại ánh sáng phản xạ kích thích áp dụng ứng dụng đèn bi laser cho dòng xe hạng sang Nhiệt độ màu ánh sáng tối đa mà đèn bi laser ô tô cung cấp lên đến 12000 Kelvin Tuy nhiên giới hạn sử dụng môi trường laser photpho vàng nên nhiệt độ giao động khoảng từ 6000 Kelvin đến 6500 Kelvin Chương 5: Ưu điểm nhược điểm Sở hữu công nghệ tối ưu, chắn đèn bi laser tơ có nhiều ưu điểm, khơng phải mà loại đèn khơng có nhược điểm Cùng tìm hiểu chi tiết lợi ích hạn chế loại đèn bi laser 5.1 Ưu điểm Khoảng chiếu sáng xa, đèn bi laser cho khả chiếu sáng lên đến 600m Trong loại đèn công nghệ cũ khoảng chiếu xa ½, tương đương 300m Nguồn cung cấp ánh sáng khỏe, vùng chiếu sáng tán rộng nên ưa chuộng chủ xe phải di chuyển vào ban đêm, di chuyển điều kiện thời tiết khắc nghiệt Đèn bi laser cung cấp ánh sáng có màu gần tương đương với màu ánh sáng mặt trời Dễ hiểu màu sáng đèn laser ánh sáng giống với ánh sáng ban ngày Trước xuất đèn laser, đèn led coi loại đèn sở hữu công nghệ phát sáng mạnh Nhưng thực tế cho thấy đèn bi laser ô tô cho ánh sáng gấp 1000 lần so với đèn bi Led Quan trọng hơn, điện tiêu thụ lại chưa đến nửa so với đàn anh Đèn bi laser ghi điểm tuyệt đối hình thức, thiết kế: Vừa đẹp mắt, vừa tối ưu tích hợp với cấu tạo xe Các thương hiệu liên tục cập nhật tính mẫu mà đèn bi laser cho xe hơi, nhằm tăng giá trị, nâng cấp phiên xe Nếu đèn halogen có thời gian hoạt động từ 800 đến 1000 giờ, đèn bi xenon khoảng 1500 giờ, đèn bi led cao khoảng 3000 đèn bi laser có thời gian hoạt động, sử dụng lên đến chục năm Đây điểm cộng, ưu vượt trội mà loại đèn khác cạnh tranh Hơn nữa, đèn bi laser bất chấp thách thức môi trường, thời tiết khắc nghiệt 5.2 Nhược điểm Sở hữu nhiều cơng nghệ, nhiều lợi ích ưu việt kể trên, đèn bi laser gặp vài khó khăn dấn thân vào thị trường Việt Nam Do mới, giá thành đắt, nên chưa sản xuất đại trà Chỉ áp dụng số dòng xe sang BMW i8, Audi Đèn bi laser khả tích hợp đèn pha/cos Do vậy, bạn phải lắp thêm loại đèn led, đèn xenon khác để sử dụng Để đảm bảo tuổi thọ cho bóng đèn bi laser tơ, bạn nên lắp thêm quạt tản nhiệt đế tản nhiệt Vì dù công suất thấp, hiệu ánh sáng cực mạnh sinh nhiệt lượng Điều khiến tuổi thọ đèn bi laser bị ảnh hưởng không nhỏ Chương 6: Kết luận Đèn laser đời sau đèn led, xeon, halogen… lại trở thành đèn tốt Đèn laser vượt trội đèn cịn lại nhiều mặt, phục vụ cho người nhiều số lĩnh vực ô tô, y tế,… Với thời buổi công nghệ đại thiết bị ngày nâng cấp cải thiện để phục vụ người tốt TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC MỤC LỤC Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ LASER Chương 3: PHÂN LOẠI 4.1 Cấu tạo Chương 5: Ưu điểm nhược điểm 5.2 Nhược điểm Chương 6: KẾT LUẬN Chương 2: LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN NGUỒN SÁNG Chương 3: Phân loại ĐÈN HALOGEN ĐÈN XENON Nhược điểm: ĐÈN LED Nhược điểm: ĐÈN LASER Chương 4: Cấu tạo nguyên lý hoạt động đèn laser 4.2 Nguyên lý hoạt động Chương 5: Ưu điểm nhược điểm 5.1 Ưu điểm 5.2 Nhược điểm Chương 6: Kết luận ... Nhược điểm Chương 6: KẾT LUẬN Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ LASER Laser chữ viết tắt cụm từ “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” nghĩa khuếch đại ánh sáng xạ kích hoạt Có thể hiểu... xạ laser có màu sắc khác Trong sống hàng ngày, laser bán dẫn thường sử dụng - chúng họ hàng gần gũi với đèn LED Chương 3: Phân loại Hiện có cơng nghệ chiếu sáng xe đèn halogen, xenon, LED laser. .. rãi Năm 1807, đèn đường khí đốt thắp sáng Pall Mall, phố trung tâm London Đến năm 1823, 340 km tổng chiều dài phố phường London chiếu sáng 40.000 đèn khí đốt Chúng thắp sáng thủ công đêm người