Thiết kế hệ thống điều chỉnh công suất đèn chiếu sáng công cộng

Trong các ñề tài trên các tác giả nghiên cứu ứng dụng thiết bị tự ñộng giảm công suất ñể tiết kiệm ñiện năng cho ñèn ñường dựa trên nguyên lý ổn áp và ñiều chỉnh tự ñộng ñiện áp kiểu cơ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: ðiện khí hoá sản xuất nông nghiệp và nông thôn

Mã số: 60.52.54

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH TRẦN HOÀI LINH

Hà Nội – 2012

Sau một thời gian nghiên cứu thiết kế và chế tạo, tôi ñã hoàn thành luận văn “Thiết kế hệ thống ñiều chỉnh công suất ñèn chiếu sáng công cộng” theo yêu cầu ñược giao luận văn cao học

Trước hết tôi xin gửi tới PGS.TSKH Trần Hoài Linh, người ñã trực tiếp hướng dẫn và tạo ñiều kiện giúp ñỡ tôi hoàn thành luận văn này lời cảm ơn trân trọng nhất

Qua ñây tôi cũng xin bày tỏ lời cảm ơn tới Ban chủ nhiệm cùng các thầy

cô Bộ môn Tự ñộng hóa – Khoa Cơ ðiện – Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội ñã tạo ñiều kiện, ñộng viên và giúp ñỡ tôi trong suốt quá trình học tập chương trình ñào tạo thạc sỹ vừa qua

Tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Lãnh ñạo Sở Công Thương, Trung tâm Tiết kiệm năng lượng Bắc Giang nơi tôi công tác và lời cảm ơn tới gia ñình, bạn bè cùng khóa học ñã luôn ủng hộ tạo ñiều kiện, khích lệ tôi ñể tôi có thể học tập, nghiên cứu và trưởng thành như ngày hôm nay

Một lần nữa xin trân trọng cảm ơn!

Tôi xin cam ñoan rằng ñây là ñề tài nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa công bố trong ñề tài khoa học nào trước ñó

Tôi xin cam ñoan rằng các thông tin trích dẫn trong bản luận văn của tôi ñều ñược chỉ rõ nguồn gốc

Người cam ñoan

ðặng Tiến Dũng

Danh sách các hình ……… …3

Danh sách các bảng……….6

MỞ ðẦU 7

1 ðặt vấn ñề 7

2 Mục tiêu 8

3 Nội dung nghiên cứu 8

4 Phương pháp nghiên cứu 9

5 Phạm vi ứng dụng 9

6 Cấu trúc luận văn 9

CHƯƠNG1: TỔNG QUAN VỀ ðÈN CHIẾU SÁNG VÀ MẠCH ðO ðIỀU CHỈNH CÔNG SUẤT CỦA ðÈN 11

I.1 Một số khái niệm về ánh sáng và giải pháp công suất ñèn chiếu sáng 11

I.1.1 Một khái niệm cơ bản về ánh sáng và chiếu sáng……… 11

I.1.2 Giới thiệu một số loại ñèn chiếu sáng………16

I.1.3 Các giải pháp kiểm soát công suất ñèn chiếu sáng……… 20

I.2 Cảm biến ánh sáng 22

I.2.1 Giới thiệu chung về cảm biến……… 22

I.2.2 Phân loại cảm biến………22

I.2.3 Cảm biến quang (tế bào quang dẫn) ………24

I.3 Kết luận chương I 31

CHƯƠNG II: GIẢI PHÁP ðIỀU CHỈNH TỰ ðỘNG CÔNG SUẤT CỦA ðÈN SỬ DỤNG CÁC PHẦN TỬ CÔNG SUẤT 32

II.1 Triac và ứng dụng trong ñiều chỉnh công suất ñầu ra 33

II.1.1 Giới thiệu Triac ……… 33

II.1.2 ðiều khiển Triac………35

II.1.3 Ứng dụng……….36

II.2 Máy biến áp và ứng dụng trong ñiều chỉnh công suất ñầu ra 38

II.2.1 Nguyên lý hoạt ñộng của máy biến áp 38 II.2.2 Máy biến áp có nhiều nấc ñiều chỉnh 41 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ MẠCH ðIỀU KHIỂN ðIỀU CHỈNH TỰ ðỘNG CÔNG SUẤT ðẦU RA CỦA BÓNG ðÈN 42

III.1 Sơ ñồ khối và chức năng của các khối 42

III.1.1 Sơ ñồ chung……… 42

III.1.2 Sơ ñồ khối cụ thể………42

III.2 Thiết kế chi tiết 44

III.2.1 Khối nguồn nuôi………44

III.2.2 Lựa chọn và thiết kế khối cảm biến ñộ sáng………45

III.2.3 Lựa chọn và thiết kế khối triac……….47

III.2.4 Lựa chọn và thiết kế biến áp……….50

III.2.5 Lựa chọn và thiết kế khối LCD………50

III.2.8 Lựa chọn và thiết kế vi xử lý………53

III.3 Thiết kế tổng thể mạch thiết bị 58

III.4 Phân tích và thiết kế phần mềm vxl………58

III.4.1 Phân tích và thiết kế hệ thống phần mềm trên PC………59

III.4.2 Xây dựng mối liên hệ giữa cường ñộ sáng và góc mở ñèn…………59

III.5 Kết luận chương III 60

CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ TRIỂN KHAI 61

IV.1 Mạch phần cứng 61

IV.1.1 Sơ ñồ nguyên lý các khối trong mạch công suất………61

IV.1.2 Sơ ñồ nguyên lý các khối mạch ñiều khiển………64

IV.2 Phần mềm vi xử lý 68

IV.3 Phần mềm tích hợp trên PC 71

IV.4 Các kết quả thử nghiệm 73

IV.5 Kết luận chương IV 77

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 78

1.Kếtluận………78

2.Hướng phát triển tiếp theo của ñề tài………78

PHỤ LỤC 80

Phụ lục 1: Chương trình chính (main.c)……….80

Phụ lục 2: Chương trình use.h………83

Phụ lục 3: Sơ ñồ mạch công suất……….84

Phụ lục 4: Sơ ñồ mạch ñiều khiển ……….85

Tài liệu tham khảo 86

Hình 1.1: Cường ñộ sáng theo 1 phương 16

Hình 1.2: Mô tả ñộ rọi và mật ñộ quang thông trên bề mặt chiếu sáng 17

Hình 1.3: Bóng ñèn sợi ñốt 19

Hình 1.4: Bóng ñèn Natri 20

Hình 1.5: Bóng ñèn Natri cao áp 21

Hình 1.6: Một số dạng bóng ñèn huỳnh quang 22

Hình 1.7: Một số dạng bóng ñèn compact 22

Hình 1.8: Bóng ñèn LED 23

Hình 1.9: Tủ ñiều chỉnh quang thông tự ñộng 24

Hình 1.10: Cảm biến phát 26

Hình 1.12: Hìnhdạng, ký hiệu và phân cực của quang diode 29

Hình 1.13: ðặc tuyến của quang diode 30

Hình 1.14: Ký hiệu, cấu tạo và ñặc tuyến của quang transistor 31

Hình 1.15: Mạch ño cường ñộ sáng 31

Hình 1.16: Mạch ñóng cắt rơle 32

Hình 1.17: Hình dạng và ký hiệucủa quang ñiện trở 32

Hình 1.18: Mối quan hệ giữa cường ñộ ánh sáng và giá trị ñiện trở 33

Hình 1.19: Mạch báo ñộng 33

Hình 1.20: Mạch mở ñiện tự ñộng 34

Hình 2.1: Cấu tạo Triac 37

Hình 2.2: ðặc tuyến V-A của Triac 38

Hình 2.3: 4 phương pháp ñiều khiển chuyển trạng thái của Triac 38

Hình 2.4: Ứng dụng của Triac 39

Hình 2.5: Một số dạng sóng ñiện áp khi sử dụng các giải pháp ñiều khiển ñóng/cắt khác nhau 41

Hình 2.6: Hình dạng bên ngoài của một máy biến áp 41

Hình 2.7: Cấu tạo máy biến thế 42

Hình 2.8 : Nguyên lý hoạt ñộng của mạch MBA 42

Hình 3.1: Sơ ñồ ý tưởng thiết bị ñiều chỉnh công suất ra 45

Hình 3.2: Sơ ñồ khối chính của thiết bị ñiều chỉnh công suất ra 46

Hình 3.4: Mạch nguyên lý khối nguồn 48

Hình 3.5: Nguyên lý cấu tạo quang trở LDR 48

Hình 3.6: ðặc tính của quang trở 49

Hình 3.7: Mạch nguyên lý khối cảm biến ñộ sáng 50

Hình 3.8: Các chân giao diện của triac 50

Hình 3.9: Sơ ñồ mở của Triac 51

Hình 3.10: Sơ ñồ hoạt ñộng Triac 51

Hình 3.11:Hình ảnh Triac BTA12-600 52

Hình 3.12: Mạch nguyên lý ghép nối triac với vi xử lý 52

Hình 3.13: Mạch nguyên lý khối biến áp 53

Hình 3.14: Mạch nguyên lý ghép nối khối LCD 53

Hình 3.15: Hình ảnh khối phím 54

Hình 3.16: Sơ ñồ nguyên lý kết nối USB 55

Hình 3.17 : Hình ảnh PIC18F4550 56

Hình 3.18: Hỗ trợ truyền thông qua USB 56

Hình 3.19: Sơ ñồ chân của PIC18F4550 trong hộp DIP-40 57

Hình 3.20: TQFP 58

Hình 3.21: QFN 58

Hình 3.22: Mạch nguyên khối vi xử lý 61

Hình 3.23: Mô hình ñiều khiển dùng Triac 62

Hình 3.24: ðiện áp ra trên tải sau khi ra xung ñiều khiển triac 63

Hình 4.1: Khối kết nối 64

Hình 4.2: Khối phát hiện ñiểm O 64

Hình 4.3: Khối ñiều khiển ñiện áp vào 65

Hình 4.4: Khối phản hồi ñiện áp 65

Hình 4.5: Khối chỉ thị 65

Hình 4.6: Khối chuyển mạch ñiện áp ra 66

Hình 4.7: Mạch công suất 67

Hình 4.8: Khối nguồn nuôi 67

Hình 4.9: Khối cảm biến ánh sáng 68

Hình 4.10: Khối kết nối 68

Hình 4.12: Khối chuyển mạch rơle 69

Hình 4.13: Khối vi xử lý 70

Hình 4.14: Mạch ñiều khiển 70

Hình 4.15: Hình ảnh 3 chiều 71

Hình 4.16: Sơ ñồ khối thuật toán chương trình main 72

Hình 4.17: Sơ ñồ khối thuật toán chương trình ngắt ngoài 2 73

Hình 4.18: Sơ ñồ khối thuật toán chương trình ñiều chỉnh góc mở Triac 74

Hình 4.19: Giao diện màn hình chính 75

Bảng 1: Quang thông của một số nguồn sang thông dụng……… 12

Bảng 2: Cường ñộ sáng của một số nguồn sáng thông dụng……… 13

Bảng 3: ðộ rọi trên một số bề mặt thường gặp………14

Bảng 4: Tiêu chuẩn chiếu sáng các khu vực dành cho người ñi bộ……….14

Bảng 5: ðộ chói của một số nguồn thông dụng ………15

Bảng 6: Thông số chính của BTA12-600……… ……… 49

Bảng 7: Mô tả các chức năng từng chân của Vi xử lý PIC18F455……… 56

Bảng 8: Các thông số ño……… 74

MỞ ðẦU

1 ðặt vấn ñề

Năng lượng có vai trò vô cùng quan trọng trong sự phát triển của mỗi Quốc gia, là một trong những nhu cầu thiết yếu ñối với sinh hoạt và cũng chính là yếu tố ñầu vào không thể thiếu của rất nhiều ngành kinh tế khác, có ảnh hưởng không nhỏ ñến các hoạt ñộng kinh tế, chính trị, văn hoá và xã hội

ðiện năng trong chiếu sáng công cộng chiếm tỷ trọng khá lớn trong cơ cấu tiêu thụ ñiện và ñược ngân sách nhà nước chi trả nên tiết kiệm ñiện năng trong chiếu sáng công cộng chính là tiết kiệm ngân sách

Trong chiếu sáng công cộng, về ban ñêm khi lưu lượng các phương tiện giao thông giảm bớt thì nhu cầu chiếu sáng cũng giảm, việc duy trì 100% công suất chiếu sáng là không cần thiết và gây lãng phí ñiện năng ðể giảm bớt công suất chiếu sáng vào ban ñêm, hiện nay ñang áp dụng phổ biến giải pháp cắt bớt 30% và

50 % số bóng ñèn Giải pháp trên có nhược ñiểm là tạo nên những khoảng tối trên ñường không ñảm bảo an ninh và giảm mỹ quan ñô thị ðặc biệt giải pháp này không tiết kiệm ñiện năng trong thời gian ñèn sáng

• Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Ngày nay, do tốc ñộ phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, các ngành công nghiệp sử dụng năng lượng tăng mạnh Khai thác năng lượng thiên nhiên cũng tăng theo nhằm ñáp ứng nhu cầu sử dụng năng lượng trên toàn cầu, chính vì vậy nguồn năng lượng thiên nhiên ñang dần cạn kiệt và bắt ñầu xảy ra khủng khoảng về năng lượng trên toàn thế giới Do ñó nhiều quốc gia trên thế giới (ñặc biệt là các nước phát triển) ñã tập chung nghiên cứu tìm ra những giải pháp quản lý và kỹ thuật, ứng dụng những công nghệ tiên tiến, thiết bị hiện ñại nhằm sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả, ñồng thời sử dụng hạn chế, tiết kiệm năng lượng truyền thống như than ñá, dầu mỏ , ñẩy mạnh sử dụng năng tái sinh, năng lượng sạch như năng lượng mặt trời, thủy ñiện, năng lượng gió

Hiện nay một số nước trên thế giới ñã có các sản phẩm và thiết bị tiết kiệm ñiện năng cho chiếu sáng công cộng có trình ñộ công nghệ hiện ñại, Tuy nhiên do giá thành cao, nên việc triển khai ứng dụng ở Việt Nam gặp nhiều khó khăn

• Tình hình nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam ñã có rất nhiều kết quả nghiên cứu của nhiều ñơn vị, cá nhân về các sản phẩm tiết kiệm ñiện, tiết kiệm năng lượng như của Viện Khoa học Việt

Nam trong một số năm gần ñây về lĩnh vực tiết kiệm ñiện năng trong chiếu sáng giao thông ñô thị:

+ Thiết bị ñiều khiển tự ñộng TKðN cho ñèn ñường 1 pha, tác giả: Trương Quốc Thành và cộng sự (ðề tài cấp cơ sở Viện Khoa học Vật Liệu Phân viện Công nghệ năng lượng thực hiện năm 2001)

+ Thiết bị ñiều khiển tự ñộng TKðN cho ñèn ñường 3 pha, tác giả: Trương Quốc Thành và cộng sự (ðề tài cấp cơ sở Viện Khoa học Vật Liệu, Phân viện Công nghệ năng lượng thực hiện năm 2003)

Trong các ñề tài trên các tác giả nghiên cứu ứng dụng thiết bị tự ñộng giảm công suất ñể tiết kiệm ñiện năng cho ñèn ñường dựa trên nguyên lý ổn áp và ñiều chỉnh tự ñộng ñiện áp kiểu cơ ñiện tử, kết hợp rơle thời gian ñể giảm ñiện áp và dòng ñiện ñặt vào ñèn dẫn ñến giảm công suất tiêu thụ ñèn Thiết bị có các mạch bảo vệ quá áp, ngắn mạch và quá tải

Các thành phố lớn như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh ñã xây dựng trung tâm ñiều khiển chiếu sáng công cộng với quy mô ñiều khiển 12.000 ñiểm sáng Từ khi ứng dụng trung tâm ñiều khiển vào việc quản lý hệ thống ñèn chiếu sáng các ñơn vị quản lý chiếu sáng công cộng ñều thấy ñược các hiệu quả góp phần nâng cao công tác quản lý: ðiều chỉnh linh hoạt thời gian ñóng cắt Hệ thống chiếu sáng tại các khu vực từ trung tâm theo tình hình thời tiết, giảm tiêu thụ ñiện năng

Các kết quả nghiên cứu này ñã ñược ứng dụng một vài nơi và ñem lại hiệu quả nhất ñịnh trong việc tiết kiệm ñiện năng

2 Mục tiêu

Xây dựng một hệ thống ñiều chỉnh tự ñộng công suất của mạch chiếu sáng sử dụng các phần tử công suất và biến áp ña cấp sử dụng tín hiệu ñiều khiển từ cảm biến ño ñộ sáng

3 Nội dung nghiên cứu

– Tìm hiểu về các mạch ño ñộ sáng

– Nghiên cứu bài toán kiểm soát công suất, tiêu chuẩn chiếu sáng công cộng – Tìm hiểu về các phần tử công suất cơ bản và mạch ño và ñiều khiển tự ñộng giá trị ñiện áp ñầu ra của mạch nguồn

– Thiết kế, chế tạo mạch ñiều khiển tự ñộng công suất ñầu ra khi ñộ sáng thay ñổi

– Khảo sát lấy kết quả

4 Phương pháp nghiên cứu

– Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu cơ sở lý luận ñể thiết kế, lựa chọn các bộ ñiều khiển

– Phương pháp thử nghiệm, so sánh: Chạy thử nghiệm ñể hiệu chỉnh thông số của thiết bị theo yêu cầu ñặt ra

– Giới thiệu qua về vấn ñề ñược giải quyết trong luận văn

– Giới thiệu về các chương mục của luận văn

2 Tổng quan về ñèn chiếu sáng và mạch ño ñiều chỉnh công suất của ñèn: – Các giải pháp kiểm soát công suất ñèn chiếu sáng phụ thuộc ñộ sáng môi trường – Cảm biến ño ñộ sáng (nói chung) và lựa chọn của ñồ án

3 Phân tích giải pháp ñiều chỉnh tự ñộng sử dụng các phần tử công suất:

– Triac và ứng dụng trong ñiều chỉnh công suất ñầu ra

– Biến áp phân phối và ứng dụng trong ñiều chỉnh công suất ñầu ra

4 Thiết kế mạch ñiều khiển tự ñộng công suất ñầu ra của bóng ñèn:

– Sơ ñồ khối + chức năng các khối

– Lựa chọn khối nguồn nuôi

– Lựa chọn và thiết kế khối cảm biến ñộ sáng

– Lựa chọn và thiết kế khối triac

– Lựa chọn và thiết kế khối biến áp

– Lựa chọn và thiết kế khối LCD

– Lựa chọn và thiết kế khối phím

– Lựa chọn và thiết kế khối truyền thông

– Lựa chọn và thiết kế khối vi xử lý

– Thiết kế tổng thể mạch thiết bị

– Phân tích và thiết kế phần mềm vi xử lý

– Phân tích và thiết kế hệ thống phần mềm trên PC

5 Các kết quả triển khai:

– Mạch phần cứng

– Phần mềm vi xử lý

– Phần mềm tích hợp trên PC

– Các kết quả thử nghiệm:

6 Kết luận và hướng phát triển:

Trong tình hình thiếu ñiện hiện nay tiết kiệm ñiện là quốc sách nhất là ñiện năng tiêu thụ cho chiếu sáng công cộng ñang chiếm một tỷ trọng khá cao và ñược chi trả bằng nguồn ngân sách của Nhà nước ðược sự hướng dẫn tận tình của

PGS.TSKH Trần Hoài Linh tôi ñã tiến hành thực hiện ñề tài “Thiết kế hệ thống ñiều chỉnh công suất ñèn chiếu sáng công cộng”

Luận văn ñề xuất giải pháp sử dụng cảm biến ño ñộ sáng tích hợp với hệ thống ñiều chỉnh tự ñộng sử dụng biến áp và các phần tử công suất ñể ñiều chỉnh công suất phù hợp với yêu cầu của môi trường cần chiếu sáng Giải pháp này sẽ cho phép cung cấp công suất chiếu sáng thích nghi với thực tế vận hành ñể tiết kiệm năng lượng

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ðÈN CHIẾU SÁNG VÀ MẠCH ðO - ðIỀU CHỈNH CÔNG SUẤT CỦA ðÈN

Trong chiếu sáng công cộng, ñèn chiếu sáng ngoài trời thường ñược ñiều khiển bởi công tắc bật/tắt, nhưng người sử dụng có thể quên tắt khi không còn sử dụng gây lãnh phí một lượng ñiện năng rất lớn ðể khắc phục ñiều này người ta thường dùng các giải pháp kiểm soát công suất ñèn bằng các phương pháp ñiều khiển ñặc biệt hữu ích sử dụng cho việc ñiều khiển chiếu ngoài trời ñạt ñược hiệu quả cao trong chiếu sáng công cộng mà vẫn tiết kiệm ñiện Trong chương này ta sẽ giới thiệu sơ bộ về một số khái niệm liên quan tới chiếu sáng và giải pháp kiểm soát công suất ñèn chiếu sáng

I.1 Một số khái niệm về ánh sáng và giải pháp kiểm soát công suất ñèn chiếu sáng

I.1.1 Một số khái niệm cơ bản về ánh sáng và chiếu sáng

a) Khái niệm ánh sáng

Bất kỳ vật thể nào có nhiệt ñộ lớn hơn 00K ñều có khả năng bức xạ năng lượng dưới dạng sóng ñiện từ Sóng ñiện từ có hai tính chất là sóng và hạt Bước sóng (λ) của các sóng ñiện từ trong khoảng 10-10m-3km xét về tính chất hạt, cấu tạo của các sóng ñiện từ là các hạt photon mamg năng lượng cực nhỏ Tùy theo bước sóng mà năng lượng photon khác nhau Năng lượng của một hạt photon có bước sóng λ là hc/λ, với h là hằng số Planck và c là vận tốc ánh sáng trong chân không Như vậy, bước sóng càng dài thì năng lượng photon càng nhỏ

Sóng ñiện từ với bước sóng nawmg trong vùng quang phổ nhìn thấy ñược băng mắt thường (khoảng 380nm và 780nm) ñược gọi là ánh sáng Ánh sáng do mặt trời tạo ra ñược gọi là ánh nắng Ánh sáng mặt trăng mà chúng ta nhìn thấy ñược gọi là ánh trăng thực tế do mặt trời chiếu tới mặt trăng phản xạ ñi tới mắt người Ánh sáng do ñèn tạo ra ñược gọi là ánh ñèn Ánh sáng do các loài vật phát ra gọi là ánh sáng sinh học

b) Các ñại lượng ño ánh sáng

Ánh sáng là các bức xạ ñiện từ mang năng lượng và ñược ñặc trưng bằng các ñại lượng ño năng lượng Tất cả các nguồn sáng ñều biến ñổi năng lượng mà nó tiêu thụ thành một hoặc nhiều hiệu ứng trong ba hiệu ứng hóa, nhiệt, ñiện từ Tia sáng chỉ là phần nhỏ của bức xạ ñiện từ do vậy chúng chỉ mang theo một phần công suất

của nguồn Thông thường năng lượng bức xạ ñược tính bằng oát (W) theo công thức:

trong ñó W là phân bố phổ của năng lượng bức xạ

c) Quang thôngφ lumen (lm)

Cùng một bức xạ nhưng bước song khác nhau sẽ gây ra các tác ñộng khác nhau ñối với mắt Do ñó cần phải hiệu chỉnh ñơn vị ño ñộ nhạy cảm phổ của mắt người (ñường cong V (λ)) ðơn vị hiệu chỉnh ñó là quang thông φ, ñơn vị là lumen (lm)

Bảng 1: Quang thông của một số nguồn sang thông dụng

Nguồn sáng Quang thông (lumen)

Trước tiên, ta xét góc khối Ω, là góc không gian thường sử dụng trong kỹ thuật chiếu sáng Trên hình có một nguồn ñiểm O ñặt tại tâm hình cầu rỗng bán kính R và chắn diện tích S trên mặt cầu

s R

dΩ

Hình 1.1: Cường ñộ sáng theo 1 phương

Cường ñộ sáng theo một phương ñược tính theo công thức:

0

lim

OA d

d I

Bảng 2: Cường ñộ sáng của một số nguồn sáng thông dụng

Nguồn sáng Cường ñộ sáng cadela (cd)

Trường hợp ñặc biệt khi bức xạ không phụ thuộc vào phương thì

4

I φπ

E S

φ

= hay 1lux= 1lm/m2

Hình 1.2: Mô tả ñộ rọi và mật ñộ quang thông trên bề mặt chiếu sáng

Khi mặt ñược chiếu sáng không ñều thì ñộ rọi ñược tính bằng trung bình ñại

số của ñộ rọi các ñiểm Quan hệ giữa ñộ rọi và khoảng cách ñược tính bằng công thức sau:

2cos

d I E

dS r

Bảng 3: ðộ rọi trên một số bề mặt thường gặp

ðịa ñiểm ñược chiếu sáng ðộ rọi (lx)

ðộ rọi ngang trung bình và ñộ rọi ngang nhỏ nhất trên mặt ñường và khu vực dành cho người ñi bộ không ñược nhỏ hơn trị số quy ñịnh như sau:

Bảng 4: Tiêu chuẩn chiếu sáng các khu vực dành cho người ñi bộ

(lx)

các câu lạc bộ giải trí, khu vực mua sắm, có mật ñộ

giao thông cao , tình hình an ninh trật tự phức tạp

2 ðường và khu ñi bộ ở vùng ngoại thành có mật ñộ

các khu nhà ở , mật ñộ giao thông thấp , tình hình an

ninh trật tự tốt

f) ðộ chói L (cd/m 2 )

Khi ta nhìn vào một nguồn sáng hoặc một vật ñược chiếu sáng, ta có cảm giác

bị chói mắt ðể dặc trưng cho khả năng bức xạ ánh sáng của nguồn hoặc bề mặt phản xạ gây nên cảm giác chói sáng ñối với mắt, người ta ñưa ra ñịnh nghĩa ñộ chói Các nguyên tố diện tích của các vật ñược chiếu sáng nói chung phản xạ ánh sáng nhận ñược một cách khác nhau và tác ñộng như một nguồn sáng thứ cấp phát các cường ñộ sáng khác nhau theo mọi hướng ðộ chói L theo phương cho trước của một diện tích mặt phát sáng ds cho bởi công thức dưới ñây:

Bảng 5: ðộ chói của một số nguồn thông dụng

I.1.2 Giới thiệu một số loại ựèn chiếu sáng

Theo nguyên lý hoạt ựộng ta có thể phân chia các ựèn thành hai nhóm lớn là:

đèn sợi ựốt: là loại ựèn ựược phát sáng khi ựốt nóng Trong ựèn sợi ựốt có hai loại là sợi ựốt thông thường và sợi ựốt có bổ sung khắ halogen;

đèn phóng ựiện: là loại ựèn sử dụng phương pháp phóng ựiện hồ quang ựể chiếu sáng Trong loại ựèn phóng ựiện trong chất khắ gồm 4 nhóm: đèn huỳnh quang, ựèn thuỷ ngân, ựèn Natri (Sodium) và ựèn Halogen kim loại (Metal Halide)

Về hình dạng, có thể phân loại như ựèn dạng ống tròn, sợi ựốt, ựèn nấm, ựèn uốn cong, ựèn giọt lệẦ

Loại ựèn chúng ta thường sử dụng là bóng ựèn sợi ựốt thông thường, ựèn sợi ựốt bổ sung khắ halogen, ựèn huỳnh quang ống, và huỳnh quang compact và ựèn LED

Mặc dù hiệu quả chiếu sáng rất thấp, các ựèn sợi ựốt có chỉ số màu gần 100, cho phép chiếu sáng cục bộ hoặc chiếu sáng trang trắ Vì nhiệt ựộ màu thấp, các bóng ựèn sợi ựốt rất thuận tiện cho việc chiếu sáng mức thấp và mức trung bình ở các khu vực dân cư

Các ưu ựiểm chủ yếu là nối trực tiếp vào lưới ựiện, kắch thước nhỏ, bật sáng ngay và có thể ựiều chỉnh ựược cường ựộ sáng, giá rẻ, tạo ra màu sắc ấm áp Các nhược ựiểm là tốn ựiện và phát nóng

b) đèn phóng ựiện:

Gồm một ống thủy tinh chứa một loại hơi kim loại, tạo áp suất thấp Hai ựầu ống ựặt 2 ựiện cực đặt một ựiện áp cao giữa 2 ựiện cực sẽ tạo ra hiện tượng phóng ựiện hồ quang tác ựộng vào hơi trong ống tạo ra ánh sáng Như vậy ựể hoạt ựộng tốt

ta cần phải: Tạo ựiện áp ựủ lớn ựể khởi ựộng ựèn (mồi ựèn), giảm ựiện áp lúc làm việc ựể giữ ổn ựịnh

Vắ dụ về một số loại ựèn phóng ựiện ta có ựèn hơi Natri áp suất thấp với ánh sáng màu vàng cam (bước sóng 589nm và 589,6nm) đèn này có các ựặc ựiểm:

Hình 1.4: Bóng ựèn Natri

Ờ Hiệu suất cao 100 Ờ 200 lm/

Ờ Ánh sáng ựơn sắc vàng Ờ cam IRC =0

Ờ Công suất nhỏ 18 Ờ 180 W

Ờ độ chói nhỏ

Ờ Tuổi thọ cao khoảng 8000 giờ

đèn áp suất thấp thường dùng chiếu sáng bảo vệ, lối ựi, bãi xe Còn ựèn hơi Natri áp suất cao thì nhiệt ựộ trên 10000C trong hơi natri cao áp ánh sáng phát ra là màu trắng

Hình 1.5: Bóng ựèn Natri cao áp

đèn hơi cao áp Natri có ựặc ựiểm:

Ờ Hiệu suất cao 70 Ờ 130 lm/W

Ờ Chỉ số IRC 20 -80

Ờ Nhiệt ựộ màu 2000 Ờ 25000 K

Ờ Tuổi thọ cao khoảng 10.000 giờ

Thường dùng chiếu sáng các trung tâm thương mại, triển lãm, ngân hành, khách sạn, sân thể thao, phòng hội thảoẦ

Ngoài ra ta còn có ựèn hơi thủy ngân áp suất cao với các ựặc ựiểm:

Ờ Hiệu suất chiếu sáng 60 Ờ 95 lm/W

Ờ Chỉ số IRC 40 -60

Ờ Nhiệt ựộ màu 3000 Ờ 45000 K

Ờ Tuổi thọ cao khoảng 4.000 giờ

Thường dùng chiếu sáng các trung tâm thương mại, triển lãm, ngân hành, khách sạn, sân thể thao, phòng hội thảoẦ

c) đèn huỳnh quang

đèn huỳnh quang gồm hai bộ phận chắnh là:

1 Ống thủy tinh ựược phủ một lớp bột huỳnh quang ở mặt phắa trong ựể phát ra ánh sáng nhìn thấy khi chịu tác dụng của tia tử ngoại Trong ống chứa khắ trơ argon ựể mồi cho bóng ựèn phóng ựiện ban ựầu và ắt hơi thủy ngân dùng ựể dẫn ựiện

2 điện cực làm bằng dây vonfram dạng lò xo xoắn ựược tráng một lớp bari oxit

ựể phát ra ựiện tử, có hai ựầu tiếp ựiện ựưa ra ngoài ựể nối với nguồn ựiện

Hình 1.6: Một số dạng bóng ựèn huỳnh quang

đặc ựiểm của ựèn huỳnh quang:

Ờ Hiệu suất chiếu sáng 40 Ờ 105 lm/W

Ờ Chỉ số IRC 55 -92

Ờ Nhiệt ựộ màu 2800 Ờ 65000 K

Ờ Tuổi thọ cao khoảng 7.000 giờ

Các ưu ựiểm chủ yếu là nối trực tiếp vào lưới ựiện, hiệu suất phát quang cao nên tiết kiệm ựiện hơn ựèn sợi ựốt Các nhược ựiểm là có hiện tượng nhấp nháy, cần mồi mới phóng ựiện

đây là loại ựèn ựược dùng phổ biến trong chiếu sáng dân dụng và công nghiệp

d) đèn compact

Hình 1.7: Một số dạng bóng ựèn compact

đây là dạng ựền mới của ựèn huỳnh quang, có ựặc ựiểm là chất lượng ánh sáng tốt, nhiệt ựộ màu từ 2700 ựến 40000 K, chỉ số IRC = 85, Công suất tiêu thụ ựiện thấp hơn ựèn sợi ựốt 4-5 lần và nhỏ hơn ựèn huỳnh quang thông thường Hiệu suất 85 lm/W Tuổi thọ khoảng 8000 giờ, sinh nhiệt thấp ắt hơn ựèn sợi ựốt 4 lần, kắch thước nhỏ gọn, kiểu dáng ựẹp

e) đèn LED

Các bộ ựèn led có cấu tạo từ các bóng led nhỏ, các bóng led liên kết với nhau qua một bo mạch ựiện tử (bo mạch có chức năng trung gian cung cấp nguồn và tắn hiệu ựiều khiển cho bóng led)

Hình 1.8: Bóng ựèn LED

Bóng led thông thường có 2 loại :

Ờ Mini Power Led : Công suất nhỏ hơn 0.5W

Ờ High Power Led : Công suất lớn hơn 0.5 W (0.5W,1W,2W )

Nếu dùng Mini Power Led cho các bộ ựèn có kắch thước nhỏ, có thể ứng dụng trong các khe hoặc không gian nhỏ hẹp, không phải lo về vấn ựề nhiệt ựộ làm nóng xung quanh High Power Led ựược sử dụng cho các bộ ựèn có công suất lớn Các

bộ ựèn này cần có kết cấu tản nhiệt tốt (thường bằng nhôm ựúc ép) vì bóng High Power Led rất nóng Bộ ựèn không tỏa ựược nhiệt sẽ dẫn ựến làm giảm quang thông (ựộ sáng) của bóng led và làm nhanh hư mạch ựiều khiển của bóng led đây là ựiều cần ựặc biệt lưu ý ựến khi mua các bộ ựèn led

Do tắnh chất phổ biến và tiên lợi của ựèn LED, càng ngày, nhiều loại ựèn LED mới ra ựời, ựáp ứng nhu cầu ựa dạng của người tiêu dùng Nhờ ựó, người sử dụng cũng có nhiều sự lựa chọn hơn

I.1.3 Các giải pháp kiểm soát công suất ựèn chiếu sáng

a) điều chỉnh quang thông tự ựộng

Thiết bị nguồn ựiều chỉnh quang thông tự ựộng, bởi hiệu quả cao trong chiếu sáng công cộng và không ựặt bất cứ ựiều kiện gì khi lắp ựặt, ựặc biệt cho vùng có

ñiện áp không ổn ñịnh hoặc ñiện áp quá cao, quá thấp; ñèn sáng ổn ñịnh ñúng thông

số kỹ thuật của nhà sản xuất do có ổn áp tự ñộng góp phần tăng tuổi thọ ñèn

Hình 1.9: Tủ ñiều chỉnh quang thông tự ñộng

Với thiết bị nguồn ñiều chỉnh quang thông tự ñộng thì việc lắp ñặt rất ñơn giản Cụ thể là chỉ cần lắp ñặt thiết bị vào sau lưng các tủ ñóng ngắt ñiện ngoài ñường hay tại các trạm biến áp Sau ñó, các cán bộ kỹ thuật ñặt các thông số tự ñộng ñiều chỉnh cho thiết bị ñể nó tự hoạt ñộng

Các tính năng kỹ thuật của thiết bị này cho phép ổn áp tự ñộng ñối với hệ thống chiếu sáng tự ñộng bật ñèn khi trời tối và tự ñộng tắt ñèn khi trời sáng; tự ñộng giảm công suất 20% - 40% vào ban ñêm Rơ - le thời gian hoạt ñộng chính xác kể cả trong thời gian mất ñiện mà không phải ñặt lại giờ, có khả năng ñiều chỉnh mức công suất theo yêu cầu Chế ñộ chuyển mức công suất chậm cho phép khắc phục hiện tượng tắt ñèn ở các bóng ñèn già ñã hết tuổi thọ Kết quả, mức tiết kiệm ñiện năng trung bình của hệ thống thiết bị này ñạt từ 30%-40% hoặc cao hơn

b) Thiết bị ñiều khiển bật tắt ñèn theo giờ mặt trời

Một hạn chế lớn của các thiết bị ñang sử dụng hiện nay là ñược cài ñặt bật – tắt theo giờ cố ñịnh Thế nên, có khi trời chưa tối nhưng ñèn ñã sáng “ðiều khiển theo giờ mặt trời – chỉ có cách này mới có thể khắc phục ñược những nhược ñiểm

và lãng phí ñiện năng hiện có”

Một thách thức lớn là phải tối ưu hóa các công thức ñể có thể thực hiện các tính toán theo thiên văn phức tạp trên, vì ñiều khiển tốc ñộ khá chậm ñể thiết bị có thể tính toán và tự bật tắt phù hợp với giờ mặt trời lặn và mọc ở từng vị trí khác

nhau Về nguyên lý hoạt ñộng của thiết bị như sau: một con chíp trung tâm ñiều khiển 8 rơ-le ñộc lập bật tắt theo các chương trình khác nhau có tính ñến yêu cầu của người ñiều khiển, không chỉ cho phép bật tắt thông thường mà còn cho phép tiết giảm 1 phần công suất khi ñêm khuya

ðiều ñặc biệt là người sử dụng có thể ñiều khiển thiết bị này bằng cách nhắn tin qua ñiện thoại Chỉ cần gửi tin nhắn theo cú pháp, thiết bị sẽ tự ñộng bật/tắt theo thời gian trong lệnh của người ñiều khiển Các tính năng thông minh này giúp giải quyết vấn ñề tối ưu hóa chiếu sáng ngoài trời một cách trọn vẹn

I.2 Cảm biến ño ñộ sáng

I.2.1 Giới thiệu chung về cảm biến

Cảm biến là các phần tử nhạy cảm dùng ñể biến ñổi các ñại lượng ño lường, kiểm tra hay ñiều khiển từ dạng này sang dạng khác thuận tiện hơn cho việc tác ñộng của các phần tử khác Cảm biến là một thiết bị chịu tác ñộng của các ñại lượng cần ño mà không có tính chất ñiện và cho một ñặc trưng mang bản chất ñiện (như ñiện tích, ñiện áp, dòng ñiện, trở kháng), ký hiệu là s có s=F(m) Cảm biến thường dùng ở khâu ño lường và kiểm tra

Các loại cảm biến ñược dùng rộng rãi trong tự ñộng hóa các quán trình sản xuất và ñiều khiển tự ñộng các hệ thống khác nhau Chúng có chức năng biến ñổi sự thay ñổi liên tục các ñại lượng ñầu vào (ñại lượng ño lường, kiểm tra, là các ñại lượng không ñiện nào ñó thành sự thay ñổi của các ñại lượng ñầu ra là ñại lượng ñiện Ví dụ như: ñiện trở, ñiện dung, ñiện kháng, dòng ñiện, tần số, ñiện áp rơi, góc pha…

Căn cứ theo dạng ñại lượng ñầu vào người ta phân ra các loại cảm biến như: cảm biến chuyển dịch thẳng, chuyển dịch góc quay, tốc ñộ, gia tốc, mô mên quay, nhiệt ñộ, áp suất, quang, bức xạ…

I.2.2 Phân loại cảm biến

Có thể phân các cảm biến làm hai nhóm chính: cảm biến tham số (thụ ñộng)

và cảm biến phát (chủ ñộng hay tích cực)

Nhóm phát bao gồm các loại cảm biến sử dụng hiệu ứng cảm ứng ñiện từ, hiệu ứng ñiện áp, hiệu ứng Hall và sự xuất hiện sức ñiện ñộng của cặp nhiệt ngẫu, tế bào quang ñiện

– Hiệu ứng cảm ứng ñiện từ: Trong một dây dẫn chuyển ñộng trong một từ

trường không ñổi sẽ xuất hiện một sức ñiện ñộng tỉ lệ với từ thông cắt ngang dây trong một ñơn vị thời gian, nghĩa là tỉ lệ với ñộ dịch chuyển của dây dẫn

Hiệu ứng cảm ứng ñiện từ ñược ứng dụng ñể xác ñịnh tốc ñộ dịch chuyển của vật thông qua việc ño sức ñiện ñộng cảm ứng

– Hiệu ứng quang phát xạ ñiện tử: là hiện tượng các ñiện tử ñược giải phóng

thoát khỏi vật liệu tạo thành dòng ñược thu lại dưới dạng của ñiện trường

– Hiệu ứng quang ñiện trong chất bán dẫn: là hiện tượng khi một chuyển tiếp

P-N ñược chiếu sáng sẽ phát sinh ra các cặp ñiện tử - lỗ trống, chúng chuyển ñộng dưới tác dụng của ñiện trường chuyển tiếp làm thay ñổi hiệu ñiện thế giữa hai ñầu chuyển tiếp

– Hiệu ứng Hall: Trong vật liệu (thường là bán dẫn) dạng tấm mỏng có dòng

ñiện chạy qua ñặt trong từ trường B có phương tạo thành một góc với dòng ñiện I sẽ xuất hiện một hiệu thế U theo phương vuông góc với B và I Hiệu ứng Holl ñược ứng dụng ñể xác ñịnh vị trí của một vật chuyển ñộng Vật sẽ ñược ghép nối cơ học với một thanh nam châm, ở mọi thời ñiểm vị trí cảu thanh nam châm xác ñịnh giá trị cảu từ trường và góc lệch tương ứng với tấm bán dẫn mỏng làm trung gian Hiệu ñiện thế ño ñược giữa hai cạnh tấm bán dẫn trong trường hợp này (gián tiếp) là hàm phụ thuộc vị trí của vật trong không gian

Hình 1.10: Cảm biến phát

Cảm biến loại này là cảm biến tích cực vì trong trường hợp này nguồn của dòng ñiện I (chứ không phải ñại lượng cần ño) cung cấp năng lượng liên quan ñến tín hiệu ño

– Hiệu ứng ñiện áp: Khi tác dụng lực cơ học lên một vật làm bằng vật liệu áp

ñiện (như thạch anh) sẽ gây nên biến dạng của vật ñó và làm xuất hiện lượng ñiện tích bằng nhau nhưng trái dấu nhau trên các mặt ñối diện của vật (là hiệu ứng ñiện áp) Hiệu ứng này ñược ứng dụng ñể xác ñịnh lực hoặc các ñại lượng

gây nên lực tác dụng vào vật liệu áp ñiện (như áp suất, gia tốc…) thông qua việc ño ñiện áp trên hai bản cực tụ ñiện

Ngoài ra còn có cảm biến nhiệt ñiện, cảm biến hóa ñiện…

Cảm biến tham số (thụ ñộng) thường ñược chế tạo từ những trở kháng có một trong các thông số chủ yếu nhạy với ñại lượng cần ño Một mặt giá trị của trở kháng phụ thuộc vào kích thước hình học của mẫu, nhưng mặt khác nó còn phụ thuộc vào tính chất ñiện của vật liệu như: ñiện trở suất, từ thẩm, hằng số ñiện môi, Vì vậy giá trị của trở kháng thay ñổi dưới tác dụng của ñại lượng ño ảnh hưởng riêng biệt ñến tính chất hình học, tính chất ñiện hoặc ñồng thời ảnh hưởng cả hai Thông số hình học hoặc kích thước của trở kháng có thể thay ñổi nếu cảm biến có phần tử chuyển ñộng hoặc phần tử biến dạng Trường hợp khi có phần tử ñộng thì mỗi vị trí của phần tử sẽ tương ứng với một giá trị trở kháng, ño trở kháng sẽ xác ñịnh ñược vị trí ñối tượng ðây là nguyên lý nhiều cảm biến như cảm biến vị trí, cảm biến dịch chuyển

Trường hợp cảm biến có phần tử biến dạng, thì sự biến dạng gây nên bởi lực hoặc các ñại lượng dẫn ñến lực (áp suất, gia tốc) tác dụng trực tiếp hoặc gián tiếp lên cảm biến làm thay ñổi trở kháng Sự thay ñổi trở kháng liên quan ñến lực tác ñộng lên cấu trúc, nghĩa là tác ñộng của ñại lượng cần ño ñược biến ñổi thành tín hiệu ñiện (hiệu ứng áp trở) Trở kháng cảu cảm biến thụ ñộng và sử thay ñổi cảu trở kháng dưới tác dụng của ñại lượng cần ño chỉ có thể xác ñịnh ñược khi cảm biến là một thành phần của mạch ñiện Trong thực tế tùy từng trường hợp cụ thể mà người

ta chọn mạch ño thích hợp với cảm biến

I.2.3 Cảm biến quang (tế bào quang dẫn)

Các tế bào quang dẫn là một trong những cảm biến quang có ñộ nhạy cao Cơ

sở vật lý của tế bào quang dẫn là hiện tượng quang dẫn do kết quả cảu hiệu ứng quang ñiện nội (hiện tượng giải phóng hạt tải ñiện trong vật liệu dưới tác dụng cảu ánh sáng làm tăng dẫn ñiện cảu vật liệu)

a) Vật liệu ñể chế tạo cảm biến

Cảm biến quang thường ñược chế tạo bằng các chất bán dẫn ña tinh thể ñồng nhất hoặc ñơn tinh thể, bán dẫn riêng hoặc bán dẫn phức tạp, ví dụ như:

– ða tinh thể: CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe

– ðơn tinh thể: Ge, Si tinh khiết hoặc pha tạp Au, Cu, Sb, In, SbIn, AsIn, Pin, CdHgTe

Vùng phổ làm việc của các vật liệu này khác nhau

b) Các ñặc trưng

– ðiện trở: giá trị ñiện trở tối Rc phụ thuộc vào dạng hình học, kích thước, nhiệt

ñộ và bản chất lí hóa của vật liệu quang dẫn ðiện trở Rc của cảm biến khi bị chiếu sáng giảm rất nhanh khi ñộ rọi tăng lên Sự phụ thuộc của ñiện trở vào thông lượng ánh sáng không tuyến tính, tuy nhiên có thể tuyến tính hóa bằng cách sử dụng một ñiện trở mắc song song với tế bào quang dẫn

– ðộ nhạy: ñộ dẫn của tế bào quang dẫn là tổng cảu ñộ dẫn trong tối và ñộ dẫn

khi chiếu sáng ðộ nhạy phổ là hàm cảu nhiệt ñộ nguồn sáng, khi nhiệt ñộ tăng thì ñộ nhạy phổ tăng lên

Tế bào quang dẫn ñược ứng dụng nhiều bởi chúng có tỷ lệ chuyển ñổi tĩnh và

ñộ nhạy cao cho phép ñơn giản hóa trong việc ứng dụng (ví dụ ñiều khiển các rơle) Nhược ñiểm chính cảu tế bào quang dẫn là:

– Hồi ñáp phụ thuộc một cách không tuyến tính vào thông lượng

– Thời gian hồi ñáp lớn

– Các ñặc trưng không ổn ñịnh (già hóa)

– ðộ nhạy phụ thuộc vào nhiệt ñộ

– Một số loại ñòi hỏi phải làm nguội

Người ta không dùng tế bào quang dẫn ñể xác ñịnh chính xác thông lượng Thông thường chúng ñược sử dụng ñể phân biệt mức sáng khác nhau (trạng thái tối – sáng hoặc xung ánh sáng) Thực tế thì tế bào quang dẫn thường ứng dụng như thu tín hiệu quang dùng ñể biến ñổi xung quanh thành xung ñiện Sự ngắt quãng của xung ánh sáng chiếu lên tế bào quang dẫn sẽ ñược phản ánh trung thực qua xung ñiện của mạch ño, ứng dẫn ñể ño tốc ñộ quay cảu ñĩa hoặc ñếm vật

Hình 1.11: Cảm biến quang

c) Một số cảm biến quang thường dùng

• Quang diode (Photodiode)

Ta biết rằng khi một nối P-N ñược phân cực thuận thì vùng hiếm hẹp và dòng thuận lớn vì do hạt tải ñiện ña số (ñiện tử ở chất bán dẫn loại N và lỗ trống ở chất

bán dẫn loại P) di chuyển tạo nên Khi phân cực nghịch, vùng hiếm rộng và chỉ có dòng ñiện rỉ nhỏ (dòng bão hòa nghịch I0) chạy qua

Hình 1.12: Hìnhdạng, ký hiệu và phân cực của quang diode

Bây giờ ta xem một nối P-N ñược phân cực nghịch Thí nghiệm cho thấy khi chiếu sáng ánh sáng vào mối nối (giả sử diod ñược chế tạo trong suốt), ta thấy dòng ñiện nghịch tăng lên gần như tỉ lệ với quang thông trong lúc dòng ñiện thuận không tăng Hiện tượng này ñược dùng ñể chế tạo quang diod

Khi ánh sáng chiếu vào nối P-N có ñủ năng lượng làm phát sinh các cặp ñiện

tử - lỗ trống ở sát hai bên mối nối làm mật ñộ hạt tải ñiện thiểu số tăng lên Các hạt tải ñiện thiểu số này khuếch tán qua mối nối tạo nên dòng ñiện ñáng kể cộng thêm vào dòng ñiện bảo hòa nghịch I0 tự nhiên của diod, thường là dưới vài trăm nA với quang diod Si và dưới vài chục µA với quang diod Ge ðộ nhạy của quang diod tùy thuộc vào chất bán dẫn là Si, Ge hay Selenium… Hình vẽ sau ñây cho thấy ñộ nhạy

ñó theo tần số của ánh sáng chiếu vào các chất bán dẫn này:

Hình 1.13: ðặc tuyến của quang diode

ðặc tuyến V-I của quang diod với quang thông là thông số cho thấy ở quang thông nhỏ khi ñiện thế phân cực nghịch nhỏ, dòng ñiện tăng theo ñiện thế phân cực, nhưng khi ñiện thế phân cực lớn hơn vài volt, dòng ñiện gần như bảo hòa (không ñổi khi ñiện thế phân cực nghịch tăng) khi quang thông lớn, dòng ñiện thay ñổi theo ñiện thế phân cực nghịch Tần số hoạt ñộng của quang diod có thể lên ñến hành MHz Quang diod cũng như quang ñiện trở thường ñược dùng trong các mạch ñiều khiển ñể ñóng - mở mạch ñiện (dẫn ñiện khi có ánh sáng chiếu vào và ngưng khi tối)

• Quang transistor (Photo Transistor):

Về mặt cấu tạo, quang transistor cũng giống như transistor thường nhưng cực nền ñể hở Quang transistor có một thấu kính trong suốt ñể tập trung ánh sáng vào mối nối P-N giữa thu và nền

Khi cực nền ñể hở, mối nối nền-phát ñược phân cực thuậnchút ít do các dòng ñiện dò (ñiện thế VBE lúc ñó khoảng vài chục mV ở transistor Si) và nối thu-nền ñược phân cực nghịch nên transistor ở vùng tác ñộng

Vì nối thu-nền ñược phân cực nghịch nên có dòng rỉ IC0 chạy giữa cực thu và cực nền Vì cực nền bỏ trống, nối nền-phát ñược phân cực thuận chút ít nên dòng ñiện cực thu là I E0 = I C0(1+β) ðây là dòng tối của quang transistor

Hình 1.14: Ký hiệu, cấu tạo và ñặc tuyến của quang transistor

Khi có ánh sáng chiếu vào mối nối thu nền thì sự xuất hiện của các cặp ñiện

tử và lỗ trống như trong quang diod làm phát sinh một dòng ñiện Iλ do ánh sáng nên dòng ñiện thu trở thành: I E =(I C0 +Iλ)(1+β)

Như vậy, trong quang transistor, cả dòng tối lẫn dòng chiếu sáng ñều ñược nhân lên (β+1) lần so với quang diod nên dễ dàng sử dụng hơn Hình trên trình bày ñặc tính V-I của quang transistor với quang thông là một thông số Ta thấy ñặc tuyến này giống như ñặc tuyến của transistor thường mắc theo kiểu cực phát chung

Có nhiều loại quang transistor như loại một transistor dùng ñể chuyển mạch dùngtrong các mạch ñiều khiển, mạch ñếm… loại quang transistor Darlington có ñộ nhạy rất cao Ngoài ra người ta còn chế tạo các quang SCR, quang triac

Quang transistor có thể ñược ứng dụng trong một số mạch ñiều khiển như:

– Quang kế:

ðây là mạch ñơn giản ñể ño cường ñộ ánh sáng, biến trở 5kΩ dùng ñể chuẩn máy nhờ một quang kế mẫu Khi ánh sáng chiếu vào càng mạnh, quang transistor càng dẫn mạnh, kim ñiện kế lệch càng nhiều Dĩ nhiên ở mạch trên ta cũng có thể dùng quang ñiện trở hay quang diod nhưng kém nhạy hơn

Hình 1.15: Mạch ño cường ñộ sáng

– Mạch ñóng cắt rơle:

Trong mạch ñóng rơle, khi quang transistor ñược chiếu sáng nó dẫn ñiện làm T1 thông, rơle hoạt ñộng Ngược lại trong mạch tắt rơle, ở trạng thái thường trực quang transistor không ñược chiếu sáng nên quang transistor ngưng và T1 luôn

thông, rơle ở trạng thái ñóng Khi ñược chiếu sáng, quang transistor dẫn mạnh làm T1 ngưng, rơle không hoạt ñộng (ở trạng thái tắt)

Hình 1.16: Mạch ñóng cắt rơle

• Quang ñiện trở (Photoresistance)

Là phần tử có ñiện trở thay ñổi theo tình trạng phần tử bị chiếu sáng ðiện trở của phần tử sẽ có giá trị càng giảm khi ñược chiếu sáng càng mạnh ðiện trở tối (khi không ñược chiếu sáng - ở trong bóng tối) thường trên 1MΩ, trị số này giảm rất nhỏ có thể dưới 100Ω khi ñược chiếu sáng mạnh

Trong khuôn khổ luận văn này, cảm biến quang ñiện trở (Photoresistance) sẽ

ñược lựa chọn làm cảm biến cường ñộ ánh sáng

(a) Hình dạng thật (b) Ký hiệu Hình 1.17: Hình dạng và ký hiệucủa quang ñiện trở

Nguyên lý làm việc của quang ñiện trở là khi ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn

(có thể là Cadmium sulfide – CdS, Cadmium selenide – CdSe) làm phát sinh các

ñiện tử tự do, tức sự dẫn ñiện tăng lên và làm giảm ñiện trở của chất bán dẫn Các ñặc tính ñiện và ñộ nhạy của quang ñiện trở dĩ nhiên tùy thuộc vào vật liệu dùng trong chế tạo

Hình 1.18: Mối quan hệ giữa cường ñộ ánh sáng và giá trị ñiện trở

Về phương diện năng lượng, ta nói ánh sáng ñã cung cấp một năng lượng E=h.f ñể các ñiện tử nhảy từ dải hóa trị lên dải dẫn ñiện Như vậy năng lượng cần thiết h.f phải lớn hơn năng lượng của dải cấm

Quang ñiện trở có thể ñược ứng dụng trong nhiều mạch, ví dụ như trong mạch báo ñộng

Hình 1.19: Mạch báo ñộng

Khi quang ñiện trở ñược chiếu sáng (trạng thái thường trực) có ñiện trở nhỏ, ñiện thế cổng của SCR giảm nhỏ không ñủ dòng kích nên SCR ngưng Khi nguồn sáng bị chắn, R tăng nhanh, ñiện thế cổng SCR tăng làm SCR dẫn ñiện, dòng ñiện qua tải làm cho mạch báo ñộng hoạt ñộng

Người ta cũng có thể dùng mạch như trên, với tải là một bóng ñèn ñể có thể cháy sáng về ñêm và tắt vào ban ngày Hoặc có thể tải là một rơle ñể ñiều khiển một mạch báo ñộng có công suất lớn hơn

Một ví dụ ứng dụng của quang trở là trong mạch mở ñiện tự ñộng về ñêm dùng ñiện AC

Hình 1.20: Mạch mở ñiện tự ñộng

Ban ngày, trị số của quang ñiện trở nhỏ ðiện thế ở ñiểm A không ñủ ñể mở Diac nên Triac không hoạt ñộng, ñèn tắt về ñêm, quang trở tăng trị số, làm tăng ñiện thế ở ñiểm A, thông Diac và kích Triac dẫn ñiện, bóng ñèn sáng lên

I.3 Kết luận chương I:

Chương I chủ yếu trình bày các khái niệm liên quan ñến ánh sáng, thiết bị chiếu sáng, thiết bị quang trở làm cơ sở cho việc lựa chọn thiết bị từ ñó ñưa ra các giải pháp ñiều khiển tự ñộng sử dụng các phần tử công suất ñể ñiều khiển chiếu

sáng Cụ thể trong luận văn sử dụng cảm biến quang trở Photoresistance làm cảm

biến ño cường ñộ ánh sáng, Thiết bị chiếu sáng là ñèn Natri áp suất thấp

CHƯƠNG II: GIẢI PHÁP ðIỀU KHIỂN TỰ ðỘNG CÔNG SUẤT CỦA ðÈN SỬ DỤNG CÁC PHẦN TỬ CÔNG SUẤT

Những năm gần ñây, ở Việt Nam, nhiều giải pháp tiết kiệm năng lượng cho các thiết bị chiếu sáng cũng ñã ñược nghiên cứu và ứng dụng như: sử dụng công nghệ ñèn chiếu sáng hiệu suất cao (ñèn huỳnh quang T5, T8; ñèn huỳnh quang compact; ñèn LED; ñèn OLED; ñèn hơi natri áp xuất thấp hoặc cao; ñèn hơi halogen kim loại; ñèn không ñiện cực LVD); nâng cao hiệu suất các thiết bị trong

bộ ñèn (choá ñèn, chấn lưu) Ngoài việc áp dụng công nghệ chiếu sáng hiệu suất cao ñể tiết kiệm ñiện năng, thì một vấn ñề rất ñược quan tâm là sử dụng hợp lý công suất chiếu sáng cho phù hợp với nhu cầu chiếu sáng ðặc biệt là ñối với chiếu sáng

ở các nơi công cộng, do vào ban ñêm khi mật ñộ giao thông rất thấp, việc duy trì 100% công suất chiếu sáng là không cần thiết Vì vậy, việc tiết giảm công suất chiếu sáng trong thời gian này là yêu cầu bắt buộc ñối với chiếu sáng công cộng hiện ñại ðể giải quyết vấn ñề nêu trên một số các giải pháp cơ bản có thể áp dụng như:

Giải pháp 1: sử dụng chấn lưu hai mức công suất ñể giảm công suất tiêu thụ của ñèn vào ban ñêm khi nhu cầu chiếu sáng giảm bớt Giải pháp này áp dụng trong thiết kế mới các dự án ñèn ñường và phải ñảm bảo chất lượng ñiện áp ổn ñịnh Ưu ñiểm cho phép ñiều khiển từ xa, thiết bị gọn, tổn hao thấp Nhược ñiểm là giá thành thiết bị cao, không ñiều chỉnh ñược mức tiết kiệm do ñã ñược lập trình sẵn, chi phí sửa chữa thay thế cao

Giải pháp 2: sử dụng chấn lưu phụ mắc thêm cho chấn lưu thường ñể tạo thành tổ hợp chấn lưu hai mức công suất Giải pháp này có thể sử dụng khi cải tạo các tuyến ñèn ñường ñang hoạt ñộng, phải ñảm bảo chất lượng ñiện áp ổn ñịnh Ưu ñiểm giá thành hạ; Nhược ñiểm: chi phí sửa chữa thay thế cao, không ñiều chỉnh ñược mức tiết kiệm

Giải pháp 3: dùng 2 bóng công suất nhỏ trên 1 cột ðây là giải pháp ñơn giản hiệu quả tiết kiệm cao, tuy nhiên chi phí ñầu tư cao

Giải pháp 4: sử dụng tủ ñiều khiển, tự ñộng cắt bớt một số bóng ñèn ðây là giải pháp tiết kiệm hiện nay ñang áp dụng phổ biến cho chiếu sáng ñèn ñường tại Việt Nam Ưu ñiểm: Giá thành thiết bị thấp Nhược ñiểm: Tạo nên những khoảng tối trên mặt ñường không ñảm bảo an toàn giao thông và giảm mỹ quan ñô thị Giải pháp 5: dùng thiết bị nguồn, các phần tử công suất ñiều chỉnh quang thông tự ñộng theo nhu cầu chiếu sáng Ưu ñiểm: Không ñặt bất cứ ñiều kiện gì khi lắp ñặt, ñặc biệt cho vùng có ñiện áp không ổn ñịnh hoặc ñiện áp quá cao, quá thấp;

đèn sáng ổn ựịnh ựúng thông số kỹ thuật của nhà sản suất do có ổn áp tự ựộng góp phần tăng tuổi thọ ựèn; Nhược ựiểm: Giá thành thiết bị cao hơn so với giải pháp 2 Trong quá trình tìm hiểu nhu cầu thực tiễn, nhận thấy việc sử dụng thiết bị nguồn, các phần tử công suất ựể ựiều chỉnh quang thông tự ựộng là giải pháp tiết kiệm ựiện năng có hiệu quả cao trong chiếu sáng công cộng và phù hợp với ựiều kiện ở nước ta

đối với thiết bị nguồn ựiều chỉnh quang thông tự ựộng thì việc ựiều chỉnh ựiện

áp có thể sử dụng các cách như: ựiều chỉnh ựiện áp bằng kỹ thuật ựiện tử; ựiều chỉnh ựiện áp bằng biến áp theo nguyên lý bù; và ựiều chỉnh ựiện áp bằng biến áp tự ngẫu Trong thực tế các tuyến ựèn ựường chiếu sáng có công suất phụ tải phổ biến

≤ 75 KVA - 3 pha phù hợp với tiêu chuẩn ngành ựiện qui ựịnh, bán kắnh cung cấp ựiện hạ thế không quá 600m Vì vậy, trong giới hạn của luận văn này chỉ tập trung nghiên cứu và thử nghiệm loại thiết bị dùng biến áp ựa cấp ựiện áp ựầu ra và Triac

ựể ựiều chỉnh công suất ựầu ra của bóng ựèn

Các tắnh năng kỹ thuật của thiết bị này cho phép: điều chỉnh công suất ựầu vào của hệ thống bằng Triac và ựiện áp ựầu ra sẽ ựược ựiều chỉnh bằng cách chọn nấc ựầu ra máy biến áp (ựã có sẵn) Có khả năng ựiều chỉnh mức công suất theo yêu cầu Chế ựộ chuyển mức công suất chậm cho phép khắc phục hiện tượng tắt ựèn ở các bóng ựèn già ựã hết tuổi thọ

II.1 Triac và ứng dụng trong ựiều chỉnh công suất ựầu ra

II.1.1 Giới thiệu Triac

Triac ựược viết tắt bởi Triod AC semiconductor switch (Công tắt bán dẫn xoay

chiều ba cực) Triac thường ựược coi như một SCR lưỡng hướng vì có thể dẫn ựiện theo hai chiều Hình 3.1 cho thấy cấu tạo, mô hình tương ựương và cấu tạo của Triac

Triac các lớp bán dẫn P, N ghép nối tiếp nhau và ựược nối ra ba chân, hai chân ựầu cuối ựược gọi là T1, T2 và một chân là cửa G Triac là phần tử bán dẫn gồm năm lớp bán dẫn, tạo nên cấu trúc p-n-p-n như ở thyristor theo cả hai chiều giữa các cực T1 và T2, do ựó có thể dẫn dòng theo cả hai chiều giữa T1 và T2

Triac có thể coi tương ựương với hai thyristor ựấu song song ngược

Hình 2.1: Cấu tạo Triac

Như vậy, ta thấy Triac như gồm bởi một SCR PNPN dẫn ñiện theo chiều từ trên xuống dưới, kích bởi dòng cổng dương và một SCR NPNP dẫn ñiện theo chiều

từ dưới lên kích bởi dòng cổng âm Hai cực còn lại gọi là hai ñầu cuối chính (main terminal)

ðặc tính Volt-Ampere của TRIAC bao gồm hai ñoạn ñặc tính ở góc phần tư thứ nhất và thứ ba (hệ trục Descartes), mỗi ñoạn ñều giống như ñặc tính thuận của một thyristor Do ñầu T2 dương hơn ñầu T1, ñể Triac dẫn ñiện ta có thể kích dòng cổng dương và khi ñầu T2 âm hơn T1ta có thể kích dòng cổng âm

Hình 2.2: ðặc tuyến V-A của Triac

Do sự tương tác của vùng bán dẫn, Triac ñược chuyển trạng thái theo 4 cách khác nhau, ñược trình bằng hình vẽ sau ñây:

Hình 2.3: 4 phương pháp ñiều khiển chuyển trạng thái của Triac

II.1.3 Ứng dụng

TRIAC ựặc biệt hữu ắch trong các ứng dụng ựiều chỉnh ựiện áp xoay chiều và các công-tắc-tơ tĩnh Triac là linh kiện giống như hai diode có thể ựiều khiển ựược

và nối song song ngược chiều Nên triac dùng ựể ựóng mở nguồn ựiện AC cho thiết

bị như Motor, đèn Ngoài ra Triac còn dùng ựể ựiều khiển công suất cho bóng ựèn, Motor: Tức thay ựổi cường ựộ sáng hay tốc ựộ ựộng cơ

để ựiều khiển ựược triac ựóng mạch thì dòng ựiều khiển phải lớn hơn dòng ựiều khiển danh ựịnh của triac Dòng này bạn có thể tra sách linh kiện cho từng loại triac khác nhau Do ựặc ựiểm này nên không thể ựiều khiền thiết bị tải có dòng quá nhỏ I<<50mA

Triac chỉ ựiều khiển ựược khi nguồn ựiện là có chu kỳ mà ựiện áp trở về 0 Nếu Không chỉ có thể ựóng ựược một lần, còn tắt thì không thể Nên nếu là nguồn ựiện một chiều, thì Triac sẽ ựóng cho ựến khi mất nguồn mới thôi

điều khiển Triac: phải theo chiều của nguồn ựiện ựiều khiển Tức khi ở bán kỳ

âm thì phải kắch theo chiều âm và ngược lại Và ựiện áp kắch không cần cao chỉ khoảng 1V ựến 2V là ựược

Hình 2.4: Ứng dụng của Triac

ðiều khiển bằng Triac dimmer) và ñiều khiển bằng Mosfet (MosFet dimmer): Các loại dimmer này sẽ cắt ñiện áp AC sóng sin sử dụng các linh kiện bán dẫn Triac hoặc MOSFET ðây là phương pháp ñiều chỉnh ñộ sáng trực tiếp cho ñèn sợi ñốt 220V Tuy nhiên phương pháp này chỉ áp dụng ñược cho ñèn sợi ñốt và mới ñây là ñèn cathode lạnh (CCFL Lamp) Các linh kiện bán dẫn cắt sóng sin nguồn AC 100 lần/giây, phương pháp này có ưu ñiểm là không gây hại cho mắt người với các ñộ sáng của bóng ñèn

a) Sóng sin AC chuẩn

b) Cắt sóng sin AC bằng Triac

c) Cắt sóng sin AC bằng MOSFET