Ứng dụng LED để thiết kế đèn chiếu sáng dân dụng và đèn tự hiệu chỉnh độ sáng

TRNG I HC M THÀNH PH H CHÍ MINH KHOA XÂY DNG VÀ IN  ÁN TT NGHIP K S NGÀNH CÔNG NGHIP NG DNG LED  THIT K ÈN CHIU SÁNG DÂN DNG VÀ ÈN T HIU CHNH  SÁNG SVTH : LÊ TRN NG KHOA MSSV : 20762062 GVHD : ThS. TNG THANH NHÂN TP. H Chí Minh, tháng 2 nm 2012  án tt nghip k s công nghip GVHD: Th.S. Tng Thanh Nhân SVTH : Lê Trn ng Khoa MSSV : 20732062 LI M U Trong cuc sng ngày nay cùng vi s phát trin ca khoa hc và công ngh thì vn đ s dng tit kim và có hiu qu các ngun nng lng đang đc đt lên hàng đu khi các ngun nng lng đang dn cn kit. i vi ngun nng lng đin thì vn đ đt ra là làm th nào đ s dng tit kim và có hiu qu.  tit kim đin trong chiu sáng sinh hot và sn xut, các bóng đèn tit kim đin dn đc ra đi. Ngày nay, khi công ngh ch to linh kin bán dn phát trin nhanh chóng thì cng xut hin linh kin bán dn có kh nng phát sáng vi công sut tiêu th đin thp và tui th bóng cao, đó là LED. LED đc ng dng nhiu trong cuc sng nh hin th, qung cáo.v.v. nhng ng dng trong chiu sáng thì cha đc phát trin. Vì vy, đ tài “ ng dng LED đ thit k đèn chiu sáng dân dng và đèn t hiu chnh đ sáng” vi mc đích nghiên cu sau: • Nghiên cu cu to và nguyên lý hot đng ca LED • Thit k đèn chiu sáng dùng LED. • Thit k mch t đng hiu chnh đ sáng theo ánh sáng ngoài. • Áp dng các kin thc đã hc vào thc t cuc sng. Trong khong thi gian tng đi ngn và kin thc còn hn hp nên trong quá trình thc hin đ tài có nhiu thiu sót. Kính mong s đóng góp ý kin ca các thy cô và các bn đ tôi hoàn thin và phát trin đ tài hn na.  án tt nghip k s công nghip GVHD : Th.S Tng Thanh Nhân SVTH : Lê Trn ng Khoa MSSV : 20762062 LI CM N Trc ht, con xin cm n ba m, gia đình đã là ngun đng viên rt ln và là ch da vng chc nht ca con trong sut quá trình hc tp trên ging đng đi hc. Em cng xin kính gi đn thy Tng Thanh Nhân li cm n chân thành và sâu sc nht, cm n thy đã tn tình hng dn, ch dy em trong sut quá trình thc hin đ án tt nghip này. Em cng xin cm n tt c các thy cô ca trng i Hc M Tp.HCM nói chung, quý thy cô ca khoa Xây Dng & in và các thy cô b môn nói riêng đã tn tình ging dy, trang b cho em nhng kin thc b ích trong thi gian hc đi hc. Chúng tôi cng xin cm n tt c bn bè đã đng viên, góp ý, giúp đ tôi rt nhiu trong quá trình hc tp và thc hin đ án tt nghip này. Xin gi ti mi ngi li cm n chân thành nht. Sinh viên Lê Trn ng Khoa  án tt nghip k s công nghip GVHD : Th.S Tng Thanh Nhân SVTH : Lê Trn ng Khoa MSSV : 20762062 MC LC Li m đu Li cm n Mc lc Chng 1: TNG QUAN V  TÀI 1 1.1.Mc đích chn đ tài 1 1.2.i tng nghiên cu ca đ tài 1 1.3.Phng pháp và phng tin nghiên cu 1 1.3.1.Phng pháp nghiên cu 1 1.3.2.Phng tin nghiên cu 2 1.4. ng dng và kh nng phát trin ca đ tài 2 1.4.1. ng dng 2 1.4.2. Kh nng phát trin ca đ tài 2 Chng 2: TNG QUAN V LED 2 2.1. Diode bán dn 2 2.1.1. Vt liu bán dn 2 2.1.2. Vùng nng lng trong bán dn 4 2.1.3. Tip giáp p-n và diode bán dn 6 2.1.3.1. Cu to diode 6 2.1.3.2. Phân cc cho diode 7 2.1.3.3. c tuyn volt-ampe ca diode 8 2.2. LED 9 2.2.1. Lch s phát trin ca LED 9 2.2.2. Cu to và nguyên lý hot đng ca LED 10 2.2.2.1. Cu to 10 2.2.2.2. Nguyên lý hot đng ca LED 11 2.2.2.3. c tuyn votl-ampe ca LED 12 2.2.2.4. u đim ca LED 13 2.2.2.5. ng dng ca LED 13 Chng 3: THIT K ÈN CHIU SÁNG S DNG LED 15 3.1. èn chiu sáng s dng LED 5mm 15 3.1.1. Yêu cu 15 3.1.2. Thit k 15 3.1.3. Lp ráp và hiu chnh 16 3.1.4. ánh giá và kt lun 17 3.2. èn chiu sáng s dng LED SMD5050 18 3.2.1. Gii thiu v LED SMD5050 18 3.2.2. Thit k 19 3.2.3. Lp ráp và hiu chnh 20 3.2.4. ánh giá và kt lun 21 Chng 4: Thit k mch t điu chnh đ sáng 22 4.1. Gi thiu chung 22 4.2. Vi mch khuch đi thut toán opamp, vi mch TL082 và quang tr 22 4.2.1. C bn v vi mch khuch đi thut toán 22 4.2.2. Các dng c bn ca khuch đi thut toán 23 4.2.3. Gii thiu v vi mch TL082 25 4.2.4. Quang tr 27  án tt nghip k s công nghip GVHD : Th.S Tng Thanh Nhân SVTH : Lê Trn ng Khoa MSSV : 20762062 4.3. Thit k đèn t hiu chnh đ sáng 28 4.3.1. Gii thiu v đèn t hiu chnh đ sáng 28 4.3.2. Thit k 28 4.3.2.1. Khi ngun 28 4.3.2.2. Thit k mch to xung rng ca 28 4.3.2.3. Thit k mch điu rng xung theo ánh sáng 31 4.3.2.4. Khi LED chiu sáng 33 4.3.2.5. S đ nguyên lý ca đèn 33 4.3.2.6. Thi công và hiu chnh 35 KT LUN 37 DANH MC TÀI LIU THAM KHO 38  án tt nghip k công nghip GVHD : ThS. Tng Thanh Nhân SVTH : Lê Trn ng Khoa MSSV : 20762062 Trang 1 CHNG 1: TNG QUAN V  TÀI 1.1. Mc đích chn đ tài Cùng vi s phát trin ca khoa hc và công ngh. Các vn đ v nng lng là nhng vn đ quan trng ca th gii hin nay. Khi các ngun nng lng t nhiên đang dn cn kit nh than đá, du m.v.v. Vn đ đt ra là làm th nào đ s dng nng lng tit kim và hiu qu và tìm ra các ngun nng lng mi. i vi nng lng đin đc sn xut t thy đin, nhit đin, phong đin và đin ht nhân cng vy. Khi nhu cu s dng đin tng cao và các vn đ v t nhiên đang làm thiu ngun đin cho sinh hot và sn xut. Vì vy, làm th nào đ s dng nng lng đin hiu qu và tit kim? Chiu sáng trong sinh hot và sn xut là nhu cu cn thit ca con ngi. Vy làm th nào đ có mt loi đèn s dng trong sinh hot và sn xut tit kim đin nht, có tui th lâu mà vn đm bo đ sáng . Vi s phát trin ca linh kin đin t bán dn, mt loi đèn đc ra đi vi các u đim: tiêu th công sut thp, cho ánh sáng tt và tui th s dng lâu, đó là đèn LED. LED đc ng dng rt nhiu trong qung cáo, hin th nhng trong lnh vc chiu sáng sinh hot hay sn xut thì cha đc phát trin. ây là ý tng đ thc hin đ tài: “ng dng LED đ thit k đèn chiu sáng dân dng và đèn t hiu chnh đ sáng”. Mc đích nghiên cu ca đ tài: • Nghiên cu, tìm hiu cu trúc và hot đng ca LED đ thit k đèn tit kim đin s dng trong sinh hot. • Thit k mch t điu chnh đ sáng đ giúp có ngi hc và làm vic có đc mt ánh sáng khi làm vic tt nht. 1.2. i tng nghiên cu ca đ tài: Thc hin đ tài da trên nhng nghiên cu v vn đ sau: • Cu to, nguyên lý hot đng ca LED. • Cu to, hot đng ca quang tr, đáp ng sáng vi mt ngi. • Nguyên lý ca các mch điu rng xung, các vi mch tích hp.  án tt nghip k công nghip GVHD : ThS. Tng Thanh Nhân SVTH : Lê Trn ng Khoa MSSV : 20762062 Trang 2 1.3. Phng pháp và phng tin nghiên cu: 1.3.1. Phng pháp nghiên cu. Trong quá trình nghiên cu, sinh viên thc hin ch yu da vào hai phng pháp chính: - Phng pháp tham kho tài liu: Thu thp các tài liu liên quan đn LED , k thut mch đin t. Sau đó, sinh viên vn dng các kin thc hin có đ tng hp các tài liu, sau cùng thit k ra mch đin phù hp vi các yêu cu mà ban đu đã đ ra. - Phng pháp quan sát và thc nghim: Sau khi đã có mch theo tính toán lý thuyt, sinh viên thi công mch thc t theo đúng s đ nguyên lý đã vch ra. S dng các thit b đo đ hiu chnh mch đ có nhng đáp ng đt yêu cu. 1.3.2. Phng tin nghiên cu: • Các tài liu liên quan đn đ tài. • Máy đo đ ri ánh sáng, dao đng ký, VOM. • Máy tính 1.4. ng dng và kh nng phát trin ca đ tài: 1.4.1. ng dng:  tài có tính ng dng thc tin cao: • ng dng trong chiu sáng tit kim đin thay th dn đèn si đt và đèn hunh quang. Vi u đim là tit kim đin và tui th cao thì đèn LED hoàn toàn có th thay th các loi đèn chiu sáng hin nay. • ng dng mch điu khin đ điu chnh trong hc tp và làm vic giúp tit kim đin trong trng hp ánh sáng t nhiên nhiu, tránh hin tng chói mt. Giúp có đc ánh sáng tt nht cho mt. • ng dng rông rãi trong các lnh vc sinh hot, hc tp, sn xut .v.v. 1.4.2. Kh nng phát trin ca đ tài: Phát trin đ tài đ sn xut nhng đèn có công sut cao hn, cht lng ánh sáng tt hn. Phát trin mch t điu chnh đ sáng có đ nhy hot đng tt và nh gn hn.  án tt nghip k công nghip GVHD : ThS. Tng Thanh Nhân SVTH : Lê Trn ng Khoa MSSV : 20762062 Trang 3 Chng 2: TNG QUAN V LED 2.1 Diode bán dn: 2.1.1. Vt liu bán dn: Trong quá trình phân loi vt cht đi vi quá trình dn đin, ngi ta chia ra thành ba loi: vt liu dn đin, vt liu cách đin và vt liu bán dn. Cht dn đin là vt liu cho phép dòng đin truyn qua nó. Cht cách đin là vt liu không cho phép dòng đin truyn qua nó. Cht bán dn là vt liu trung gian gia vt liu dn đin và vt liu cách đin. Các cht bán dn đc to thành t hai loi: Các cht bán dn đn cht là các nguyên t thuc nhóm IV ca bng tun hoàn các nguyên t hóa hc. Mt khác, các cht bán dn hp cht có th đc hình thành t các nguyên t nhóm III và nhóm IV (thng gi là hp cht III-V), hay nhóm II và nhóm VI (gi là hp cht II-VI). Cht bán dn hp cht cng bao gm 3 nguyên t, chng hn nh: Thy ngân-Cadimi-telurit [mercury- cadmium-telluride]; Ga-Al-As [gallium-aluminum- arsenic]; Ga-In-Ar [gallium-indium-arsenic]; và Ga-In-P [gallium-indium- phosphide]. Theo lch s ch to các linh kin bán dn thì Ge là mt trong nhng cht bán dn đu tiên đc s dng. Tuy nhiên, Ge đã đc thay th mt cách nhanh chóng bi Si dùng đ ch to các dng c bán dn quan trng nht hin nay. Ngoài cht bán dn bng Silicon đc dùng nhiu, còn có các cht bán dn nh: GaAr [gallium- arsenic] và InP [Indium-phosphide] là nhng cht bán dn thông dng hin nay, đó là nhng vt liu quan trng nht trong vic ch to các cu kin quang đin t nh: diode phát quang (LED), công ngh Laser và các b tách sóng quang . v. v. . . Nguyên t Si  nhóm IV trong bng tun hoàn các nguyên t hóa hc nên có 4 electron  lp ngoài cùng. Vì vy, vt liu đn tinh th ca Si hình thành bng liên kt đng hóa tr vi 4 nguyên t Si lân cn di dng khi không gian ba chiu nh hình: Hình 2.1: Cu trúc mng tinh th Si  án tt nghip k công nghip GVHD : ThS. Tng Thanh Nhân SVTH : Lê Trn ng Khoa MSSV : 20762062 Trang 4 Liên kt đng hóa tr rt bn v mt hóa hc nhng các đin t hóa tr vn có th hp th các nng lng đáng k t bên ngoài đ b gãy các liên kt đng hóa tr to thành các đin t t do. Di tác dng ca đin trng, nh hng ca nng lng ánh sáng di dng các photon hay di tác đng ca nhit đ thì các đin t hóa tr s b gãy các liên kt to thành các đin t t do. Các đin t t do mang đin tích âm còn các nguyên t do b mt electron nên mang đin tích dng. Trong thc t, u đim ca cht bán dn đc th hin khi các tp cht đc b sung vào các bán dn nguyên cht. Mc dù vi nng đ rt thp nhng cht bán dn mi đc to thành có ý ngha điu chnh đc tính dn đin ca vt liu rt tt. Các tp cht thng đc s dng là các nguyên t thuc nhóm III và nhóm V ca bng tun hoàn các nguyên t hóa hc. Khi pha tp các bán dn đc ly t nhóm V các nguyên t hóa hc, có 5 electron  lp ngoài cùng, vào bán dn Si. Các nguyên t thng đc s dng là Phosphorus, Arsenic và Antimony. Khi mt nguyên t này th mt nguyên t Si, do có 5 electron nên khi hình thành các liên kt vi các nguyên t Si thì còn d mt electron. Electron này liên kt rt yu vi nguyên t nên ch cn mt nng lng rt nh là có th b gãy liên kt và to thành mt đin t t do. Nh vy,  nhit đ phòng, các nguyên t ca tp cht b mt mt electron và mang đin tích dng, tng đng đin tích không thay đi trong mng tinh th không thay đi. Trong bán dn mi to thành do s pha tp này s luôn tha eclectron nên mang đin tích âm. Hình 2.2: Cu trúc mng tinh th Si khi pha tp P Khi pha các tp cht  nhóm III vào bán dn Si, vì có 3 electron  lp ngoài cùng nên khi hình thành liên kt vi các nguyên t Si, các nguyên t này còn tha mt khong trng trong cu liên kt, các l trng rt d cho các đin t xung quanh chuyn sang và hình thành các l trng khác. Các l trng này xem nh các ht mang đin tích dng. Vy, bán dn mi to thành do s pha tp này luôn mang đin tích dng trong mng tinh th không thay đi.  án tt nghip k công nghip GVHD : ThS. Tng Thanh Nhân SVTH : Lê Trn ng Khoa MSSV : 20762062 Trang 5 Trong bán dn đc pha tp thì nng đ ca đin t và l trng chênh lch nhau rt nhiu: Nu nng đ đin t ln hn nng đ l trng, ta gi là bán dn loi N. Nu nng đ l trng ln hn nng đ đin t, ta gi là bán dn loi P. 2.1.2 Vùng nng lng trong bán dn: Tính cht dn đin ca các vt liu rn đc gii thích nh lý thuyt vùng nng lng. Nh ta bit đin t tn ti trong nguyên t trên nhng mc nng lng gián đon (các trng thái dng). Nhng trong cht rn, khi mà các nguyên t kt hp li vi nhau thành các khi, thì các mc nng lng này b ph lên nhau, và tr thành các vùng nng lng và s có ba vùng chính. Hình 2.3: Các vùng nng lng ca cht rn • Vùng hóa tr (valence band): Là vùng có nng lng thp nht theo thang nng lng, là vùng mà đin t b liên kt mnh vi nguyên t và không linh đng. • Vùng dn (Conduction band): Vùng có mc nng lng cao nht, là vùng mà đin t s linh đng (nh các đin t t do) và đin t  vùng này s là đin t dn, có ngha là cht s có kh nng dn đin khi có đin t tn ti trên vùng dn. Tính dn đin tng khi mt đ đin t trên vùng dn tng. • Vùng cm (Forbidden band): Là vùng nm gia vùng hóa tr và vùng dn, không có mc nng lng nào do đó đin t không th tn ti trên vùng cm. Nu bán dn pha tp, có th xut hin các mc nng lng trong vùng cm (mc pha tp). Khong cách gia đáy vùng dn và đnh vùng hóa tr gi là đ rng vùng cm, hay nng lng vùng cm (Band Gap). Tùy theo đ rng vùng cm ln hay nh mà cht có th là dn đin hoc không dn đin. Nh vy, tính dn đin ca các cht rn và tính cht ca cht bán dn có th lý gii mt cách đn gin nh lý thuyt vùng nng lng nh sau: • Kim loi có vùng dn và vùng hóa tr ph lên nhau (không có vùng cm) do đó luôn luôn có đin t trên vùng dn vì th mà kim loi luôn luôn dn đin. [...]... Nón ánh sáng này có tác d ng ph n quang giúp có c t i a ánh sáng c n thi t, t ng hi u su t phát sáng c a LED Hình 2.9: Mô hình led th c t và c u t o bán d n c a led B o v bên ngoài c a LED là l p v nh a trong su t l p v nh a này có 3 tác d ng nh sau: + Giúp g n LED m t cách d dàng + B o v các dây d n và các câu trúc bên trong + Có tác d ng nh m t ng kính khu ch tán giúp thúc y s phát x ánh sáng t trong... CHI U SÁNG S D NG LED 3.1 èn chi u sáng s d ng LED 5mm 3.1.1 Yêu c u : Thi t k oc èn có công su t t 15w – 25w s d ng i n áp 220V xoay chi u ng dòng i n, i n áp, và r i ánh sáng 3.1.2 Thi t k Ch n led 5mm ánh sáng tr ng, lùn c a hãng KING s n su t Thông s k thu t c a led i n áp: 3,2v -3,4v Màu s c: tr ng sáng (cool while) C u t o bán d n : GaInN Ch n s l ng bóng : 280 bóng , m c song song 4 dãy Led, ... Nhân ng c a quang tr là khi ánh sáng chi u vào l p bán d n Làm cho các h t i n t nh n n ng l ng t ánh sáng nh y t dãi hóa tr lên dãi d n Làm m t và i n tr trong m ch gi m xu ng c tính i n và i n t t ng lên nh y quang tr tùy thu c vào v t li u bán d n Khi không có ánh sáng chi u vào, i n tr c a quang tr kho ng 1M Khi có ánh sáng chi u vào thì i n tr gi m xu ng ch còn kho ng vài tr m Ohm 4.3 Thi t k èn... m t s h p ch t bán d n khác LED phát ánh sáng u tiên c phát tri n vào n m 1962 b i nhà nghiên c u khoa h c Nick Holonyak Jr trong khi ông ang công tác t i công ty General Electric M George Craford George là ng c ng i ã phát minh ra bóng LED có màu vàng sáng g p 10 l n ánh sáng c a bóng LED màu u tiên có và màu cam vào n m 1972 N m 1976, T.P Pearsall ã t o ra LED hi u su t cao có ng d ng quan tr ng cho... Thanh Nhân Hình 2.12: c tuy n volt-ampe c a LED c tuy n volt-ampe c a LED có d ng t ng t gi ng nh c tuy n volt-ampe c a diode Tuy nhiên, i n áp UD là i n áp phân c c trên LED, i n áp này ph thu c vào c u t o bán d n c a m i lo i LED i n áp phân c c ng 2.2.2.4 c c a LED khá nh , kho ng 5V u i m c a LED: + LED có hi u su t phát sáng cao, công su t tiêu th th p + LED có th phát ra nhi u màu s c nên không... ch nh sáng: i u ch nh sáng ho t sáng: ng trên nguyên lý làm vi c c a quang tr và ph ng pháp r ng xung Tín hi u i n áp l y t c u phân áp gi a bi n tr và quang tr so sánh v i tín hi u xung r ng c a khi n LED làm thay i t o ra xung vuông có t n s 100Hz và có r ng thay i i u sáng c a èn 4.3.2 Thi t k m ch : 4.3.2.1 Kh i ngu n: M ch ngu n s d ng ngu n ch nh l u t bi n áp 220/12 VAC S d ng c u diode và IC... c t n s cao 2.2 LED Led ( light emeting diode) là lo i diode phát quang có th phát ra ánh sáng khi có i n áp phân c c thu n t lên nó Diode phát quang s chuy n i dòng i n thành ánh sáng r t hi u qu trong các lo i hi n th khác nhau, công su t tiêu th c a LED th p, tu i th cao thích h p v i các ng d ng v chi u sáng, là gi i pháp ti t ki m i n trong chi u sáng 2.2.1 L ch s phát tri n c a LED N m 1907, Henry... t o và nguyên lý ho t t t i 300lm/W ng c a led: 2.2.2.1 C u t o: Led có c u t o t nh ng ch t bán d n giáp p-n C u t o c a led c pha t p v i các bán d n khác r i t o thành m t ti p c th hi n trong hình 2.9 Bán d n khi phát ra photon ánh sáng thì chì phát ra ánh sáng t i b m t vuông góc v i bán d n Vì v y, trong c u trúc c a LED, các nhà s n xu t t ti p giáp p-n trong m t m t nón g i là “nón ánh sáng ... quang Có th i u khi n sáng t i theo ph LED có tu i th cao, kho ng 35000 + quang và èn s i 2.2.2.5 t ( kho ng 5000 ng pháp i u r ng xung n 50000 gi , cao h n g p nhi u l n èn hu nh n 8000 gi ) ng d ng c a LED: ng d ng r ng rãi và ph bi n hi n nay c a LED là làm b ph n hi n th trong các thi t b i n t , èn qu ng cáo, èn trang trí, èn giao thông v.v LED còn ng d ng trong l nh v c chi u sáng vì nh ng u i m... u èn LED s d ng bán d n GaAsP cho ra ánh sáng n u nh ng n m 90 c a th k 20,t ng công ty công nghi p hóa ch t Nichia, m t nhóm các nghiên c u sinh có Fuji Nakamura ã có nhìu óng góp cho s phát tri n c a èn led, laser d a trên n n bán d n GaN, GaInN N m 1997, Led có ánh sáng tr ng ra cao h n các lo i èn s i i d a trên n n bán d n GaInN có hi u su t phát sáng t hay èn hu nh quang, hi u su t phát sáng . dng LED đ thit k đèn chiu sáng dân dng và đèn t hiu chnh đ sáng vi mc đích nghiên cu sau: • Nghiên cu cu to và nguyên lý hot đng ca LED • Thit k đèn chiu sáng dùng LED. . “ng dng LED đ thit k đèn chiu sáng dân dng và đèn t hiu chnh đ sáng . Mc đích nghiên cu ca đ tài: • Nghiên cu, tìm hiu cu trúc và hot đng ca LED đ thit k đèn tit kim. tit kim đin thay th dn đèn si đt và đèn hunh quang. Vi u đim là tit kim đin và tui th cao thì đèn LED hoàn toàn có th thay th các loi đèn chiu sáng hin nay. • ng dng