Nghiên cứu chế tạo các modun LED đơn sắc và đa sắc ứng dụng

Các LED panel sử dụng cho mục đích này đều là các LED panel được nhập từ nước ngoài với giá thành đắt, không linh động trong sử dụng, thường không có bộ phận điều khiển độ sáng.Trước thự

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH, BẢNG BIỂU, VIẾT TẮT

LỜI NÓI ĐẦU 1

Chương I Các nguyên lý biến đổi quang điện và LED 4

I.1 Cơ sở lý thuyết 4

I.1.1 Mức năng lượng 4

I.1.2 Các nguyên lý biến đổi quang điện 7

I.1.3 Vùng năng lượng 9

I.2 Điốt phát quang (LED) 12

I.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LED 12

I.2.2 Đặc tính P–I của LED 13

I.2.3 Đặc tính phổ của LED 15

I.2.4 Ứng dụng của LED trong đời sống 16

Chương II Thiết kế LED panel ứng dụng trong nhân giống cây trồng 21

II.1 Yếu tố ánh sáng ảnh hưởng lên hình thái thực vật 21

II.1.1 Cường độ ánh sáng 21

II.1.2 Thành phần quang phổ 23

II.2 Thiết kế modun LED từ các LED đơn công suất lớn 25

II.2.1 Modun LED đã nghiên cứu và ứng dụng 25

II.2.2 Modun LED nghiên cứu và mục tiêu phát triển 27

Chương III Khảo sát yếu tố đặc trưng ánh sáng của các panel thiết kế 52

III.1 Thiết bị và phương pháp khảo sát 52

III.2 Khảo sát phân bố cường độ sáng của các LED panel 53

III.2.1 Panel đơn sắc 53

III.2.2 Panel đa sắc 57

III.3 Định hướng phát triển 59

Kết luận 61

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.Mô hình một nguyên tử với các điện tử quay hạt nhân với các quỹ đạo ổn

định 4

Hình 2.Biểu đồ mức năng lượng (energy level diagram) 5

Hình 3 Phân bố mật độ điện tử theo phân bố Boltzmann khi cân bằng về nhiệt 6

Hình 4.Các hiện tượng biến đổi quang điện 7

Hình 5.Minh hoạ các trạng thái chuyển đổi năng lượng giữa điện tử và photon 8

Hình 6.Vùng năng lượng của chất bán dẫn 9

Hình 7 (a) Dải cấm năng lượng trực tiếp (b) Dải cấm năng lượng gián tiếp 11

Hình 8 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LED 12

Hình 9.Đặc tuyến P-I của LED 14

Hình 10 Nguồn quang bán dẫn phát ra ánh sáng trong một khoảng bước sóng 15

Hình 11 Đặc tính phổ của LED 15

Hình 12 Đèn LED tạo nên sự huyền bí và sang trọng của căn phòng 17

Hình 13 Torre Agbar về đêm lung linh và rực rỡ nhờ LED 18

Hình 14 Ứng dụng LED trong điều trị nám da 19

Hình 15 Sản phẩm LED của BKST 20

Hình 16 Ứng dụng kỹ thuật chiếu sáng nhân tạo trong nông nghiệp công nghệ cao 20 Hình 17 Mối liên hệ giữa quang hợp với sự nâng cao cường độ ánh sáng 22

Hình 18 Ảnh hưởng phổ ánh sáng lên quang hợp 24

Hình 19 Mô hình trồng rau trong nhà tại Nhật Bản 25

Hình 20.Mô hình trồng thanh long trái vụ 26

Hình 21 Cấu trúc của LED 27

Hình 22.Các đường đặc tuyến 28

Hình 23.Các tham số cơ khí 29

Hình 24 Các tham số cơ khí của LED 5630 30

Hình 25 Các đường tuyến của LED 5630 30

Hình 26.Giao diện thiết kế sơ đồ nguyên lý 32

Hình 27 Giao diện thiết kế mạch 33

Hình 28 (a).Nguồn áp độc lập (b) Nguồn áp nối tải 34

Hình 29 (a).Nguồn dòng độc lập (b) Nguồn dòng nối tải 34

Hình 30 Ký hiệu nguồn dòng, nguồn áp trên sơ đồ mạch 35

Hình 31 Điểm làm việc của LED khi có tác động của nhiệt độ và điện trở nối tiếp 36 Hình 32.Sơ đồ nguyên lý mạch 12VDC- 15A 37

Hình 33 Sơ đồ nguyên lý mạch boot 12V- 35V, 150W 38

Hình 34 Sơ đồ nguyên lý mạch boot cơ bản 38

Hình 35.Sơ đồ xung tín hiệu ra 39

Hình 36 Bộ điều khiển cường độ LED đơn sắc 41

Hình 37 Bộ điều khiển cường độ LED đa sắc 41

Hình 38 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển 42

Hình 39.Bộ triac dimer 43

Hình 40 Mạch in và đế LED panel 44

Hình 41 Một phần LED panel được hàn mạch 44

Hình 42.Mặt cắt ngang của tấm tỏa nhiệt 45

Hình 43 Cấu trúc mạch LED panel đa sắc 45

Hình 44 Bố trí panel LED đa sắc điều khiển cường độ đồng bộ 46

Hình 45 Bố trí panel LED đa sắc điều khiển cường độ riêng biệt 46

Hình 46 Mặt cắt LED panel khi ráp mạch 47

Hình 47 Sản phẩm LED panel đa sắc khiển cường độ đồng bộ 47

Hình 48 Sản phẩm LED panel đa sắc khiển cường độ riêng biệt 48

Hình 49 Thanh LED 5630 và thanh tỏa nhiệt 48

Hình 50.Panel đơn sắc và bộ điều khiển 49

Hình 51.Cấu trúc luxmeter 51

Hình 52 Mật độ phân bố độ rọi theo tọa độ điểm và các đường đẳng rọi của LED panel Warm white ở H = 20cm 52

Hình 53 Phân bố độ rọi theo trục ngang của LED panel tại các độ cao khác nhau 53

Hình 54 Phân bố độ rọi theo trục dọc của LED panel tại các độ cao khác nhau 53

Hình 55 Phân bố độ rọi theo ngang của các LED panel 55

Hình 56 Phân bố độ rọi theo trục dọc của các LED panel 55

Hình 57 Mật độ phân bố độ rọi theo tọa độ điểm và các đường đẳng rọi của LED panel đa sắc ở H = 20cm 57

Hình 58 Phân bố độ rọi theo trục dọc của các LED panel 57

Hình 59 Phân bố độ rọi theo trục ngang của các LED panel 58

Hình 60 Mô hình thủy canh kết hợp với chiếu sáng 58

Hình 61 Mô hình thủy canh tĩnh kết hợp với chiếu sáng 59

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.Bảng thống kê cường độ ánh sáng bão hòa và điểm bù của thực vật 23

Bảng 2.Các thông số điện và quang khi hoạt động của LED đỏ công suất 1W 27

Bảng 3.Các thông số tối đa của LED đỏ công suất 1W 28

Bảng 4.Các thông số điện quang khi hoạt động của LED 5630 31

Bảng 5.Các thông số tối đa của LED 5630 31

DANH MỤC VIẾT TẮT

LED - Light Emitting Diot

PCB - Printed Circuit Board

VDC - Volts Direct Current

LASER - Light amplification by stimulated emission of radiation

FPGA - Field Programmaable Gate Array

LỜI NÓI ĐẦU

Nông nghiệp là một trong những ngành kinh tế quan trọng của Việt Nam.Hiện nay, nước ta vẫn là một nước đang phát triển, các giá trị sản lượng nông nghiệp chiếm phần lớn giá trị kinh tế nước nhà.Song song với việc thúc đẩy sự phát triển các ngành công nghiệp và dich vụ…, nhà nước ta vẫn đang chú trọng nâng cao sản lượng sản xuất nông nghiệp Để tăng năng suất, người ta đã dùng rất nhiều cách thức, phương pháp Từ thay đổi phương thức canh tác, đến sử dụng công nghệ sinh học, công nghệ hóa học và các tác động vật lý Các tác động về sinh học, hóa học

đã và đang mang lại năng suất, chất lượng cao hơn rất nhiều so với trước đây, nhưng những tác động này càng ngày càng bộc lộ các nhược điểm về độ an toàn cũng như tác dụng lâu dài đến người sử dụng sản phẩm Tại nhiều quốc gia, đặc biệt

là các quốc gia đang phát triển như nước ta, nơi người dân chưa có điều kiện sử dụng sản phẩm nông nghiệp chất lượng cao,cũng như việc kiểm soát an toàn thực phẩm lỏng lẻo, tác động của thực phẩm bẩn đến người tiêu dùng đang gây nên một làn sóng lo ngại về sức khỏe của người sử dụng Xu thế của tương lai là sử dụng các phương pháp an toàn và bền vững hơn để thúc đẩy tăng trưởng và tăng năng suất cây trồng Trong xu thế đó, việc sử dụng các tác động vật lý trở thành một trong những lựa chọn rất đáng quan tâm Một trong những tác động vật lý đó là sử dụng ánh sáng

Tại Việt Nam, ứng dụng của ánh sáng trong cây trồng đã được biết đến từ lâu Các nhà vườn trồng phong lan, cúc, thanh long đã được chiếu sáng với thời gian,cường độ khác nhau để thúc đẩy sự tăng trưởng, phát triển của cây mang lại hiệu quả kinh tế khả quan Tuy nhiên những ứng dụng này mới chỉ nằm ở mức kinh nghiệm, loại cây gì nhạy cảm với bước sóng nào, cường độ sáng thế nào, thời gian tác động bao lâu thì chưa có nhiều nghiên cứu đề cập đến Việc sử dụng đèn nào cũng chỉ nằm ở kinh nghiệm của người canh tác.Các loại đèn được sử dụng chủ yếu hiện nay là bóng dây tóc, huỳnh quang, huỳnh quang compact Hai công ty sản xuất thiết bị chiếu sáng lớn nhất nước ta hiện nay là Rạng Đông ở miền Bắc và Điện Quang ở miền Nam trong một vài năm gần đây đã chú trọng trong việc thiết kế các

thiết bị chiếu sáng chuyên dụng cho chiếu sáng cây trồng Rạng Đông đã có một có một số dự án thiết kế, chế tạo thiết bị chiếu sáng cho các phòng nuôi cấy mô và nhân giống tại ĐH Nông Nghiệp Hà Nội, các trại nhân giống hoa tại Bắc Ninh Trong khi Điện Quang triển khai việc thay thế bóng đèn dây tóc bằng bóng đèn huỳnh quang compact trên các nhà vườn trồng thanh long tại ĐB Sông Cửu Long.Tuy nhiên LED, một công nghệ với nhiều ưu điểm vượt trội thì lại chưa được ứng dụng Các ứng dụng của LED trong nông nghiệp gần đây được chú ý,nhưng chỉ nằm ở quy mô cá nhân Các LED panel sử dụng cho mục đích này đều là các LED panel được nhập từ nước ngoài với giá thành đắt, không linh động trong sử dụng, thường không có bộ phận điều khiển độ sáng.Trước thực trạng đó cần có các nghiên cứu ứng dụng ánh sáng LED trong việc kích thích tăng trưởng, phát triển của cây trồng.Dựa trên các nghiên cứu đó đưa ra thiết kế LED panel phù hợp cho mục đích chiếu sáng cho cây, với yêu cầu kỹ thuật cụ thể và linh động, đảm bảo hiệu quả và

kinh tế.Đề tài "Nghiên cứu chế tạo các modun LED đơn sắc và đa sắc ứng dụng

trong nhân giống cây trồng" sẽnhằm giải quyết một phần nhiệm vụ trên,đó là thiết

kế và tạo ra các LED panel dùng cho quá trình nghiên cứu tác động của ánh sáng tới cây trồng

Mục tiêu của luận văn:

- Khái quát ảnh hưởng ánh sáng tới cây trồng

- Thiết kế LED panel đơn sắc cho phép thay đổi được cường độ sáng

- Thiết kế LED panel đa sắc với các bước sóng ánh sáng khác nhau và cho phép thay đổi cường độ sáng các loại LED nhằm tạo tổ hợp ánh sáng theo yêu cầu

Nội dung luận văn gồm ba phần:

Chương I: Các nguyên lý biến đổi quang điện và LED

Chương này trình bày các kiến thức nền tảng về LED cũng như ứng dụng LED trong đời sống và đặc biệt trong cây trồng

Chương II: Thiết kế LED panel ứng dụng trong nhân giống cây trồng

Thiết kế bộ LED panel đơn sắc và đa sắc có bộ điều khiển công suất theo ý muốn với từng loại LED hoặc tất cả các loại LED

Chương III: Khảo sát yếu tố đặc trưng ánh sáng của các panel thiết kế

Khảo sát thông số LED panel nghiên cứu: khảo sát độ rọi, cường độ sáng…của LED với các công suất, độ cao của LED panel

Chương I Các nguyên lý biến đổi quang điện và LED

I.1 Cơ sở lý thuyết

I.1.1 Mức năng lượng

Quá trình biến đổi năng lượng điện thành ánh sáng và ngược lại trong các linh kiện biến đổi quang điện có thể được giải thích dựa trên tính chất hạt của ánh sáng và tính chất lượng tử của vật chất[7]

Theo tính chất hạt của ánh sáng, ánh sáng bao gồm nhiều hạt gọi là photon Mỗi photon mang một năng lượng nhất định được xác định bằng công thức sau:

Eph = hf (1) Trong đó, h là hằng số Plank (h= 6,625x10-34J.s); f là tần số của photon ánh sáng Năng lượng của ánh sáng bằng tổng năng lượng của các photon (Nph):

Eánh sáng = Nph x Eph (2) Theo tính chất lượng tử của vật chất, vật chất được cấu tạo từ các nguyên tử.Mỗi nguyên tử gồm có một hạt nhân, mang điện tích dương, được bao quanh bởi các điện tử(electron), mang điện tích âm Các điện tử này quay quanh hạt nhân theo các quỹ đạo ổn định (hình1) và mang một mức năng lượng nhất định

Hình 1.Mô hình một nguyên tử với các điện tử quay hạt nhân với các quỹ đạo ổn

định

Các mức năng lượng này là không liên tục.Một điện tử chỉ có thể mang một trong các mức năng lượng rời rạc này Khi điện tử thay đổi trạng thái năng lượng thì nó sẽ chuyển từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác khi quay quanh hạt nhân Trạng thái

nănglượng của điện tử trong một nguyên tử được minh hoạ qua biểu đồ mức năng lượng (energy level diagram) như hình 2[5]

Hình 2.Biểu đồ mức năng lượng (energy level diagram)

Trong biểu đồ mức năng lượng, trạng thái năng lượng thấp nhất của điện tử được gọi là trạng thái nền (ground state) E0.Đây là trạng thái ổn định của điện tử Các trạng thái năng lượng cao hơn của điện tử được gọi là các trạng thái kích thích (excited state) được biểu diễn bằng các mức năng lượng E1, E2, E3, … Các mức năng lượng này không liên tục và cách nhau một khoảng năng lượng được gọi là dải cấm năng lượng (energy gap) ΔEij = Ej – Ei (i,j = 0,1,2,3 …)[4] Như vậy, năng lượng một điện tử có thể là E0, E1, E2…chứ không nằm giữa các mức năng lượng này.Mật độ điện tử ở các trạng thái năng lượng khác nhau phụ thuộc vào nhiệt độ và

có thểđược biểu diễn bằng hàm phân bố Boltzmann:

[ / ] 0

i B

E k T i

N  N  e  (3)

Trong đó, Ni và N0 là mật độ điện tử ở mức năng lượng Ei và mức năng lượng nền E0, ΔEi là độ chênh lệch năng lượng giữa Ei và E0; kB= 1,38.10-23

(J/K) là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độtuyệt đối (K)

Lưu ý rằng phân bố này xảy ra khi “cân bằng về nhiệt”

Một số nhận xét rút ra từ hàm phân bố Boltzmann:

- Mật độ điện tử ở trạng thái năng lượng thấp cao hơn so với mật độ điện tử ở trạng thái năng lượng cao: Ni>Nj (với i<j)

- Mật độ điện tử ở trạng thái nền là lớn nhất

- Tại T = 0K (nhiệt độ không tuyệt đối), toàn bộ điện tử ở trạng thái nền Không có điện tử ở trạng thái kích thích

- Khi nhiệt độ tăng lên, T > 0K, các điện tử sẽ hấp thụ năng lượng do nhiệt độ cung cấp (năng lượng nhiệt) và thay đổi trạng thái năng lượng, chuyển từ mức năng lượng E0 lên các mức năng lượng cao hơn Số điện tử ở các mức năng lượng kích thích tăng lên khi nhiệt độ tăng lên

Hình 3 Phân bố mật độ điện tử theo phân bố Boltzmann khi cân bằng về nhiệt

Mật độ điện tử ở các mức năng lượng khác nhau ổn định khi cân bằng về nhiệt vì đồng thời với quá trình hấp thụ năng lượng của điện tử (làm tăng mật độ điện tử ở các mức năng lượng cao và giảm mật độ điện tử ở mức nền) là quá trình trở về trạng thái năng lượng nền ban đầu của các điện tử khi ở các mức năng lượng cao Hiện tượng này xảy ra vì trạng thái nền là trạng tháinăng lượng bền vững của điện tử.Các điện tử khi ở các trạng thái năng lượng kích thích luôn có xu hướng chuyển về các trạng thái năng lượng thấp hơn sau một khoảng thời gian duy trì ở trạng thái kích thích.Khoảng thời gian này được gọi là thời gian sống (lifetime) của điện tử Thời gian sống thay đổi tùy theo loại vật chất, thông thường trong khoảng vài nano giây đến vài micro giây

Khi điện tử chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lượng thấp hơn, theo định luật bảo toàn năng lượng, nó sẽ giải phóng một phần năng lượng bằng đúng độ chênh lệch giữa hai mức năng lượng Năng lượng được giải tỏa này

có thể ở dưới dạng nhiệt hoặc ánh sáng Quá trình này diễn ra tự nhiên và ngẫu nhiên vì đây là bản chất tự nhiên của vật chất

I.1.2 Các nguyên lý biến đổi quang điện

Nguyên lý biến đổi quang điện trong vật liệu quang được thực hiện dựa trên 3 hiện tượng được minh hoạ như trên hình 4

Hình 4.Các hiện tượng biến đổi quang điện

(a) Hấp thụ (b) Phát xạ tự phát (c) Phát xạ kích thích

Hiện tượng hấp thụ (absorption), hình 4.a, xảy ra khi một photon có năng lượng hf

bị hấp thụ bởi một điện tử ở trạng thái năng lượng thấp E1 Quá trình này chỉ xảy ra khi năng lượng hf của photon bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa mức năng lượng cao và mức năng lượng thấp của điện tử (Eg = E2 – E1) Khi xảy ra hiện tượng hấp thụ, điện tử sẽ nhận năng lượng từ photon và chuyển lên trạng thái năng lượng cao

Hiện tượng phát xạ tự phát (spontaneous emission), hình 4.b, xảy ra khi một điện tử chuyển trạng thái năng lượng từ mức năng lượng cao E2 xuống mức năng lượng thấp E1 và phát ra một năng lượng Eg= E2 – E1 dưới dạng một photon ánh sáng Quá trình này xảy ra một cách tự nhiên vì trạng thái năng lượng cao E2 không phải là trạng thái năng lượng bền vững của điện tử

Hiện tượng phát xạ kích thích (stimulated emision), hình 4.c, xảy ra khi một điện tửđang ở trạng thái năng lượng cao E2 bị kích thích bởi một photon có năng lượng

hf bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa trạng thái năng lượng cao và trạng thái năng lượng thấp của điện tử (Eg= E2 – E1)[2] Khi đó, điện tử sẽ chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lượng thấp hơn và tạo ra một photon có năng lượng bằng với năng lượng của photon kích thích ban đầu

Như vậy, từ một photon ban đầu sau khi khi xảy ra hiện tượng phát xạ kích thích sẽ tạo ra hai photon (photon ban đầu và photon mới được tạo ra) Photon mới được tạo

ra có đặc điểm: cùng tần số, cùng pha, cùng phân cực và cùng hướng truyền với photon kích thích ban đầu Đây là các đặc điểm của tính kết hợp (coherent) của ánh sáng Do vậy, ánh sáng do hiện tượng phát xạ kích thích tạo ra có tính kết hợp Hiện tượng phát xạ tự phát xảy ra tự nhiên do các điện tử luôn có khuynh hướng chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái ổn định có năng lượng thấp hơn Các photon ánh sáng do hiện tượng phát xạ tự phát tạo ra một cách ngẫu nhiên theo thời gian và không gian Do đó, pha, tần số, hướng truyền cũng như phân cực của sóng ánh sáng được tạo ra cũng ngẫu nhiên

Vì vậy, ánh sáng do hiện tượng phát xạ tự phát tạo ra không có tính kết hợp

Hình 5 minh hoạ các trạng thái thay đổi năng lượng của điện tử khi xảy ra 3 hiện tượng biến đổi quang điện nêu trên

Hình 5.Minh hoạ các trạng thái chuyển đổi năng lượng giữa điện tử và photon

Các linh kiện biến đổi quang điện sẽ dựa vào một trong các hiện tượng khác nhau

để thực hiện quá trình biến đổi quang điện theo chức năng của từng loại linh kiện[3] Ví dụ như:

- Hấp thụ là nguyên lý biến đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện trong các linh kiện tách sóng quang (photodetector)

- Phát xạ tự phát là nguyên lý biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu ánh sáng xảy ra trong LED (Light Emitting Diode) Vì vậy, ánh sáng do LED phát ra không có tính kết hợp

- Phát xạ kích thích là nguyên lý biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang xảy ra trong Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) Hiện tượng này cũng là nguyên lý khuếch đại tín hiệu ánh sáng xảy ra trong các bộ khuếch đại quang (Optical Amplifier) Ánh sáng đuợc tạo ra sau Laser cũng như các bộ khuếch đại quang có tính kết hợp[6]

Lưu ý rằng, trong tự nhiên, cả ba hiện tượng này xảy ra đồng thời với nhau Quá trình hấp thụ năng lượng photon (hiện tượng hấp thụ) và phát xạ photon (hiện tượng phát xạ tự phát và phát xạ kích thích) cân bằng với nhau trong điều kiện cân bằng về nhiệt(Khi đó, phân bố điện tử ở các mức năng lượng khác nhau là ổn định theo phân

bố Boltzmann).Tùy theo mục đích ứng dụng của từng loại kiện quang điện, một trong các hiện tượng này sẽ được tập trung, làm tăng khả năng xảy ra dưới các điều kiện ảnh hưởng bên ngoài nhằm đạt được hiệu suất cao nhất Chi tiết về các điều kiện này sẽ được phân tích cụ thể trong phần trình bày cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các linh kiện biến đổi quang điện

I.1.3 Vùng năng lượng:

Trong chất bán dẫn (cũng như trong chất rắn nói chung), các mức năng lượng vẫn rời rạc nhưng chúng rất là gần nhau và được xem như một vùng năng lượng hơn là một nhóm các mức năng lượng

Hình 6.Vùng năng lượng của chất bán dẫn

Khái niệm này có thể được minh hoạ trong hình 6 khi một khoảng liên tục của vùng năng lượng khi được phóng to lên sẽ cho thấy nó được cấu tạo bởi các mức năng lượng rời rạc nhau

Trong chất bán dẫn, các điện tử phân bố trong hai vùng năng lượng tách biệt nhau được gọi là: vùng hóa trị (valence band) và vùng dẫn (conduction band) Vùng hóa trị là vùng năng lượng có năng lượng thấp và là vùng năng lượng bền vững của điện tử.Các điện tử luôn có xu hướng chuyển về vùng hóa trị sau một khoảng thời gian sống ở vùng dẫn.Vùng dẫn là vùng năng lượng cao hơn của các eletron.Sự dẫn điện của chất bán dẫn được thực hiện bởi các điện tử nằm ở vùng dẫn này

Quá trình biến đổi quang điện xảy ra trong chất bán dẫn cũng được giải thích dựa trên ba hiện tượng: hấp thụ (absorption), phát xạ tự phát (spontaneous emission) và phát xạ kích thích (stimulated emission) như trong biểu đồ mức năng lượng Nghĩa

là, điều kiện để một điện tử có thể chuyển từ trạng thái năng lượng thấp (vùng hóa trị) sang trạng thái năng lượng cao (vùng dẫn) là: năng lượng mà điện tử nhận được phải bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa hai vùng năng lượng hóa trị và vùng dẫn Nếu năng lượng được cung cấp không bằng với bất kỳ độ chênh lệch năng lượng nào giữa hai vùng năng lượng này thì quá trình hấp thụ cũng như phát xạ kích thích sẽ không xảy ra

Khi xảy ra quá trình phát xạ ánh sáng, năng lượng của photon phát xạ bằng với độ chênh lệch năng lượng của điện tử khi ở vùng dẫn và vùng hóa trị Do đó, năng lượng của photon:

Eph = hc/λ = Eg (4) Với Eg là độ chênh lệch năng lượng của điện tử khi ở vùng dẫn và vùng hóa trị Khi đó, ánh sáng được phát xạ có bước sóng:

λ = h.c/Eg(5)

Do mỗi loại vật liệu khác nhau sẽ có phân bố các vùng năng lượng khác nhau nên

có thểnói rằng bước sóng của ánh sáng do nguồn quang phát ra chỉ phụ thuộc vào vật liệu chế tạo nguồn quang

Hình 7, biểu diễn mối quan hệ giữa năng lượng và động lượng (hay vector sóng) của điện tử tại vùng dẫn và vùng hóa trị của hai loại bán dẫn có dải cấm trực tiếp (hình 7.a) và dải cấm gián tiếp (hình 7.b) Qua đó cho thấy:

-Đối với dải cấm trực tiếp, phần đáy (có năng lượng thấp) của vùng dẫn nằm đối diện với phần đỉnh (có năng lượng cao) của vùng hóa trị Do đó, các điện tử ở hai vùng này có động lượng bằng nhau

- Đối với dải cấm gián tiếp, phần đáy (có năng lượng thấp) của vùng dẫn nằm cách

xa so với phần đỉnh (có năng lượng cao) của vùng hóa trị Do đó, các điện tử ở hai vùng này có động lượng không bằng nhau bằng nhau

Hình 7.(a) Dải cấm năng lượng trực tiếp (b) Dải cấm năng lượng gián tiếp

Điều kiện để quá trình phát xạ photon xảy ra hiệu quả trong bán dẫn là khi xảy ra phát xạ photon, động lượng (hay vector sóng) của điện tử (nằm ở vùng dẫn) phải bằng động lượng của lỗ trống (nằm ở vùng hóa trị).Khi đó, động lượng của điện tử được bảo toàn

Như vậy có thể thấy rằng, điều kiện về bảo toàn động lượng khi xảy ra quá trình biến đổi quang điện chỉ đạt được với các chất bán dẫn có dải cấm trực tiếp Khi đó, năng lượng được phát ra khi các điện tử chuyển từ trạng thái năng lượng cao (vùng dẫn) sang trạng thái năng lượng thấp (vùng hóa trị) sẽ tạo ra các photon Với hiệu suất phát xạ ánh sáng (phát xạ tự phát và phát xạ kích thích) lớn, các chất bán dẫn

có dải cấm trực tiếp có thể tạo ra các nguồn quang có công suất phát quang lớn, hiệu quả

Ngược lại, đối với các chất bán dẫn có dải cấm năng lượng gián tiếp, các năng lượng được tạo ra do quá trình chuyển trạng thái năng lượng của điện tử sẽ phát ra

dưới dạng phonon, không phát xạ (nonradiation) Năng lượng này có thể là năng lượng nhiệt hay dao động của các phân tử

Như vậy, chất bán dẫn được sử dụng để chế tạo thiết bị quang cần phải có: dải cấm trực tiếp và năng lượng chênh lệch giữa vùng dẫn và vùng hóa trị phải phù hợp để

có thể tạo ra bước sóng nằm trong các cửa sổ bước sóng hoạt động

I.2 Điốt phát quang (LED)

I.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LED

LED, viết tắt của Light Emitting Diot, có nghĩa là điốt phát quang, là các điốt có khả năng phát ra ánh sáng hoặc tia tử ngoại, hồng ngoại.LED có cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p ghép tiếp xúc với một khối bán dẫn loại n Thông thường, khối bán dẫn loại n trong cấu trúc LED được pha tạp mạnh dạng n+ và khối bán dẫn loại p thường mỏng Khi đặt hai lớp bán dẫn p và n sát nhau, tại lớp tiếp giáp pn, các điện

tử ở bán dẫn n sẽ khuếch tán sang bán dẫn p để kết hợp với lỗ trống Kết quả là, tại lớp tiếp giáp pn tạo nên một vùng có rất ít các hạt mang điện (điện tử hay lỗ trống) được gọi là vùng nghèo(depletion region) Do bán dẫn loại n pha tạp mạnh nên vùng nghèo chủ yếu nằm ở phía bán dẫn loại p

a, b,

Hình 8.Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LED

Tại vùng nghèo, bán dẫn n mất đi một số các điện tử nên mang điện tích dương, còn bán dẫn p nhận thêm một số điện tử nên mang điện tích âm Điều này tạo nên một rào thế VD do sự chênh lệch năng lượng vùng dẫn của bán dẫn loại n và loại p

và hình thành một điện trường ngăn không cho các điện tử tự do từ phía bán dẫn loại n khuếch tán sang phía bán dẫn loại p Khi phân cực thuận bởi điện thế V (V > VD) cho chuyển tiếp pn như hình 8a, hàng rào thế năng bị hạ thấp xuống

Phát sáng

Lớp cách điện Các lớp bán dẫn mỏng

Đế bán dẫn

nêncác điện tử trong bán dẫn n tiếp tụcvượt qua vùng tiếp giáp pn và chạy về phía cực dương của nguồn điện, tạo thành dòng điện chạy qua lớp chuyển tiếp pn Trong quá trình điện tử từ bán dẫn n chạy sang phía bán dẫn loại p, các điện tử tái tổ hợp với các lỗtrống Xét về mặt năng lượng, khi một điện tử kết hợp với lỗ trống có nghĩa là điện tử chuyển từtrạng thái năng lượng cao (vùng dẫn) sang trạng thái năng lượng thấp (vùng hóa trị) giống như hiện tượng phát xạ tự phát Khi đó, theo định luật bảo toàn năng lượng, bán dẫn sẽ phát ra một năng lượng bằng với độ chênh lệch giữa vùng dẫn và vùng hóa trị Nếu chất bán dẫn được sửdụng có vùng cấm thẳng thì năng lượng chủ yếu được phát ra dưới dạng photon ánh sáng.Trong trường hợp bán dẫn có vùng cấm xiên, bên cạnh việc phát ra photon còn xảy ra quá trình phát xạ và hấp thụ phonon nên phần năng lượng ứng với việc phát ra photon là khá nhỏ Do lớp bán dẫn loại p là mỏng và gần như toàn bộ vùng bán dẫn loại p là vùng nghèo nên các photon ánh sáng sinh ra sẽ thoát được ra ngoài mà không bị hấp thụ (hình 8b).Đây chính là nguyên lý phát xạ ánh sáng của điốt phát quang LED

Như vậy ta thấy để chế tạo LED cần vùng năng lượng có chuyển tiếp thẳng, một

số bán dẫn có vùng cấm thẳng như GaAs, InGaAlP Tuy nhiên một số bán dẫn có vùng cấm xiên không thể dùng trực tiếp chế tạo LED nhưng nếu tạo được các tâm năng lượng trong vùng cấm bằng việc pha tạp để tạo ra chuyển tiếp thẳng thì vẫn có thể sử dụng để chế tạo LED Ví dụ như pha tạp N vảo trong bán dẫn vùng cấm xiên GaAsP hay pha Al vào trong bán dẫn SiC.Để chế tạo các LED siêu sáng có cường độ cao người ta thường dùng các chất bán dẫn loại n và p là khác nhau, lúc này chuyển tiếp p-n là chuyển tiếp dị thể, quá trình tái tổ hợp trực tiếp e- - h+ là rất mạnh

Đặc tính P–I của LED

Nguyên lý hoạt động của LED cho thấy rằng, số photon phát xạ phụ thuộc vào số điện tử (do dòng điện cung cấp) chạy qua vùng tiếp giáp pn, kết hợp với lỗ trống trong lớp bándẫn p Tuy nhiên, cần lưu ý rằng, không phải điện tử nào đi qua lớp bán dẫn p cũng kết hợp với lỗ trống và không phải quá trình kết hợp điện tử lỗ trống (chuyển trạng thái năng lượng từ vùng dẫn sang vùng hóa trị) nào cũng tạo ra photon ánh sáng Năng lượng được tạo ra này có thể dưới dạng năng lượng nhiệt.Do

vậy, số photon được tạo ra còn phụ thuộc vào hiệu suất lượng tử nội ηint (internal quantum efficient) của chất bán dẫn Hiệu suất ηint được định nghĩa là tỷ số giữa số photon được tạo ra trên số điện tử được dòng điện bơm vào LED:

ηint = Nph / Ne (6) Công suất phát quang (năng lượng ánh sáng trên một đơn vị thời gian) của LED có thể được xác định theo số photon phát xạ như sau:

P = E/t = Nph.Eph /t= (Ne.ηint.Eph)/t (7) Ngoài ra, ta có cường độ dòng điện chạy qua LED:

I = Ne.e/t (8) Với Ne là số điện tử do dòng điện cung cấp, e là điện tích của điện tử

Do đó, mối quan hệ P-I giữa công suất phát quang và dòng điện được xác dịnh như sau:

P = [(ηint.Eph)/e].I (9) Trong công thức trên,Eph có đơn vị là (J) Nếu Eph được tính bằng đơn vị (eV), thì công suất phát quang:

P(mW) = [(ηint.Eph(eV)].I(mA) (10) Hiệu suất lượng tử nội ηint phụ thuộc vào vật liệu bán dẫn được sử dụng và cấu trúc của nguồn quang Do đó, đối với mỗi loại nguồn quang khác nhau sẽ có đặc tuyến P-I khác nhau

Hình 9.Đặc tuyến P-I của LED

Công suất phát quang tỷ lệ thuận với dòng điện cung cấp và trong trường hợp lý tưởng, đặc tuyến P-I thay đổi tuyến tính như hình 9

I.2.2 Đặc tính phổ của LED

Trong thiết bị quang, ánh sáng do nguồn quang phát ra không phải tại một bước sóng mà tại một khoảng bước sóng Điều này dẫn đến hiện tương tán sắc sắc thể (chromatic dispersion) làm hạn chế cự ly và dung lượng truyền dẫn của tuyến quang Tính chất này của nguồn quang nói chungvà LED nói riêng được giải thích như sau (hình 10):

Hình 10.Nguồn quang bán dẫn phát ra ánh sáng trong một khoảng bước sóng

Hình 11.Đặc tính phổ của LED

- Các nguồn quang trong thông tin quang được chế tạo từ chất bán dẫn Do đó, các điện tử nằm trong một vùng năng lượng chứ không phải ở một mức năng lượng - Các điện tử khi chuyển từ các các mức năng lượng Ej trong vùng dẫn xuống mức năng lượng Ei trong vùng hoá trị sẽ tạo ra photon có bước sóng

- Do có nhiều mức năng lượng khác nhau trong các vùng năng lượng nên sẽ có nhiều bước sóng ánh sáng được tạo ra

- Phân bố mật độ điện tử trong vùng dẫn và vùng hoá trị không đều nhau, dẫn đến công suất phát quang tại các bước sóng khác nhau không đều nhau

- Bước sóng có công suất lớn nhất được gọi là bước sóng trung tâm Bước sóng này thay đổi theo nhiệt độ do phân bố mật độ điện tử trong các vùng năng lượng thay đổi theo nhiệt độ

Độ rộng phổ nguồn quang được định nghĩa là khoảng bước sóng ánh sáng do nguồn quang phát ra có công suất bằng 0.5 lần công suất đỉnh (hay giảm 3 dB)

Độ rộng phổ của LED phụ thuộc vào loại vật liệu chế tạo nguồn quang Ánh sáng

có bước sóng 1,3 μm do LED chế tạo bằng bán dẫn InGaAsP có độ rộng phổ từ 60nm LED được chếtạo bằng bán dẫn GaAs (λ=850nm) phát ra ánh sáng có độ rộng phổ hẹp hơn 1,7 lần so với LED chế tạo bằng bán dẫn InGaAsP

50-I.2.3 Ứng dụng của LED trong đời sống

LED có công suất và hiệu suất sáng cao hơn rất nhiều so với các nguồn sáng nhân tạo khác Các ưu thế của LED so với các nguồn sáng nhân tạo khác là:

- Đa dạng về bước sóng – màu sắc, phổ hẹp, do đó được sử dụng chính xác, hiệu suất tác động cao, tiết kiệm năng lượng

- Dễ dàng điều khiển, có thể tăng giảm quang thông một cách dễ dàng bằng các mạch điện tử

- Kích thước nhỏ gọn, cho phép người sử dụng chọn lựa các thiết kế linh động tùy theo nhu cầu về không gian cũng như đòi hỏi cụ thể về kỹ thuật

- Tuổi thọ và đọ bền cao, thời gian sử dụng LED có thể đến 100000 giờ

Do đó LED được ứng dụng rất phổ biến trong đời sống các lĩnh vực như giao thông, trang trí, y học, thời trang…[8]

a Đèn LED trong giao thông

Trong giao thông công nghệ LED tỏ ra vượt trội trong việc thỏa mãn tiêu chí tiết kiệm điện năng, mỹ quan, dễ điều khiển và bảo vệ môi trường

Ví dụ như theo khảo sát ngành điện tại Mỹ ( 2013), nếu 50% việc chiếu sáng năm

2013 được thay thế bằng cách thay thế bằng cách chiếu sáng bằng LED, nước Mỹ vẫn được chiếu sáng như vậy nhưng tiết kiệm được 41GW Hay theo Cục năng

lượng Đài Loan 2013: “Đèn giao thông LED không chỉ tiết kiệm năng lượng mà còn an toàn hơn và dễ dàng nhìn thấy hơn” do đó mà Đài Loan đã thay 690.000 đèn giao thông trong một dự án tiết kiệm điện năng để cung cấp đủ điện năng cho 60.000 hộ dân

Như ví dụ điển hình ở một thành phố sầm uất ở Việt Nam – Đà Nẵng, năm 2014 theo khảo sát thì Đà Nẵng có gần 40.000 đèn chiếu sáng công cộng với tổng giá trị 11,9 triệu USD, phí bảo dưỡng 457.000USD/năm, trong đó đa số sử dụng thiết bị chiếu sáng thông thường và tiêu tốn nhiều năng lượng Nếu thay thế thiết bị chiếu sáng công cộng bằng LED ngoài tiện ích về cảnh quan đô thị, vừa thân thiện với môi trường do không chứa thủy ngân và không phát khí thải, chi phí năng lượng tiết kiệm điện năng khá lớn, tiết kiệm khoảng 905.000USD/năm

Với các lợi ích về rác thải cũng như tiết kiệm năng lượng nên LED dần được thay thế thiết bị chiếu sáng giao thông khác trên thế giới nói chung cũng như Việt Nam nói riêng

b Đèn LED trong chiếu sáng trang trí

Hình 12.Đèn LED tạo nên sự huyền bí và sang trọng của căn phòng

- LED dùng trong trang trí nội thất gia đình: Đèn Led dùng cho nội thất vừ có

vẻ đẹp huyền bí, vừa hiện đại với các thiết bị như bàn ghế, giường, bồn tắm… Ánh sáng nhiều màu của LED sẽ được thiết kế phù hợp với tâm trạng cảm giác của chủ nhân căn phong và mục đích sử dụng

- LED dùng để trang trí các tòa nhà lớn: Tuy chi phí lắp đặt ban đầu của đèn LED cao hơn so với các loại đèn khác nhưng khoản tiết kiệm điện năng đem lại còn nhiều hơn chi phí bỏ ra nên nhiều nơi trên thế giới cũng như ở Việt Nam đã có kế hoạch thay đèn chiếu sáng bằng đèn LED cho trang trí bên ngoài các nhà hàng, tòa nhà đi kèm bộ điều khiển tự động

Hình 13. Torre Agbar về đêm lung linh và rực rỡ nhờ LED.

- LED còn dùng trong quảng cáo cũng như thiết kế thời trang như trong cà vạt, bông tai hay bảng quảng cáo…[11]

c Đèn LED còn sử dụng trong thông tin, thiết bị nghe nhìn

- LED dùng trong thiết bị nghe nhìn như màn hình tivi Tivi đèn nền LED có chất lượng ánh sáng cao vì chúng sử điot phát quang để tạo ra những hình ảnh siêu sáng

- LED dùng trong thiết bị thông tin như đèn báo trong hàng không, hàng hải, không lưu hay các thiết bị chống trộm…vì LED có cường độ sáng lớn và độ hội tụ lớn, tuổi thọ lớn chịu được điều kiện môi trường tốt hơn

d Đèn LED sử dụng trong y học

- Trẻ hóa da bằng đèn LED: Đèn LED được sử dụng với một bước sóng phù hợp ánh sáng màu vàng (λ = 590nm), với cường độ thấp tạo ra một chuỗi tia sáng phát theo xung, được lập trình đặc biệt nhằm tác động kích thích quá trình trẻ hóa tự nhiên của da, theo công nghệ điều biến quang để điều biến tăng hoặc giảm hoạt

động của các tế bào sống Khi chiếu vào da, các LED được lập trình sẵn này sẽ tác động kích thích cơ thể tăng collagen và elastin bên dưới

- Điều trị vàng da bằng LED: Vàng da sơ sinh – một trong những căn bệnh phổ biến ở trẻ sơ sinh Đèn LED cung cấp đủ ánh sáng cần thiết để loại bỏ lượng sắc tố vàng cam trong máu ở bệnh nhân bị dư thừa sắc tố vàng cam - căn bệnh có thể dẫn đến các tổn thương nghiêm trọng về não thậm chí tử vong Liệu pháp dùng đèn chiếu vàng da là một trong những biện pháp đơn giản và an toàn nhất để điều trị căn bệnh này

- Điều trị mụn trứng cá bằng ký thuật LED: Đèn LED với bước sóng phù hợp, tạo ra một chuỗi tia sáng phát ra cường độ thấp, được lập trình đặc biệt nhằm tác động sau xuống trung bì da, kích thích tăng sinh collagen và elastin, thúc đẩy quá trình chống viêm da, làm lành da và điều tiết làm giảm nhờn da

Hình 14.Ứng dụng LED trong điều trị nám da

e Đèn LED ứng dụng trong ngư nghiệp

- Việc sử dụng đèn LED sẽ tiết kiệm được khoảng 80% chi phí nguyên liệu, tăng sản lượng đánh bắt cá lên khoảng 24,5%, mực lên 41,6%

- Ví dụ sản phẩm ngiên cứu của cán bộ viện Vật lý kĩ thuật – đại học bách khoa Hà Nội [10]

Hình 15.Sản phẩm LED của BKST

f Ứng dụng quan trọng của LED trong nông nghiệp

- Đặc tính của cây trồng là chỉ hấp thụ một dải phổ ánh sáng nhất định, không phải hấp thụ toàn dải ánh sáng như ánh sáng trắng Do đó lá cây sẽ có màu, vì dải ánh sáng mà lá cây không hấp thụ sẽ phản xạ trở lại môi trường LED có đặc điểm

là phát ra dải hẹp nên tùy theo loại cây trồng cần hấp thụ dải ánh sáng nào sẽ dùng loại bóng LED có dải sáng thích hợp cho việc canh tác trong nhà kính, và các sản phẩm nông nghiệp chất lượng cao

- Hệ thống chiếu sáng cung cấp ánh sáng cho cây quang hợp sử dụng ánh sáng nhân tạo để cây sinh trưởng nên điện năng tiêu thụ là rất lớn Tuy nhiên, nhờ chiếu sáng bằng LED, hệ thống sẽ sử dụng một lượng điện năng tối thiểu

Hình 16 Ứng dụng kỹ thuật chiếu sáng nhân tạo trong nông nghiệp công nghệ cao

Chương II Thiết kế LED panel ứng dụng trong

nhân giống cây trồng

II.1 Yếu tố ánh sáng ảnh hưởng lên hình thái thực vật

Ánh sáng là điều kiện cơ bản để tiến hành quang hợp Cường độ ánh sáng và cả thành phần quang phổ ánh sáng đều ảnh hưởng đến hoạt động quang hợp của cây

đó cường độ quang hợp bằng với cường độ hô hấp gọi là điểm bù ánh sáng của quang hợp Cường độ ánh sáng lớn hơn điểm bù trừ thì cường độ quang hợp lớn hơn cường độ hô hấp và cây có tích lũy, và ngược lại [9]

Ý nghĩa điểm bù sáng

Dựa vào điểm bù sáng, người ta chia thực vật thành cây ưa sáng và cây ưa bóng Cây ưa sáng luôn có điểm bù ánh sáng cao hơn cây ưa bóng Cây ưa bóng có điểm

bù sáng khoảng 0.2 – 0.5 klux, còn cây ưa sáng có điểm bù sáng là từ 1 – 3 klux

Do đó, nguyên tắc của chọn một số tổ hợp cây trồng để trồng xen là chọn cây có điểm bù thấp trồng xen với cây có điểm bù cao Trong kỹ thuật canh tác đa tầng thì các cây trồng tầng trên luôn có điểm bù cao hơn cây trồng dưới Khi ánh sáng xuyên qua các tầng lá trên thì tầng lá ở dưới vẫn nhận được ánh sáng trên điểm bù

và vẫn có tích lũy cho quần thể [9]

Trong một quần thể có diện tích lá quá cao thì tầng lá trên che khuất sáng các tầng lá dưới nên có thể chúng nhận được cường độ ánh sáng dưới điểm bù Như vậy

các tầng lá trên làm nhiệm vụ sản xuất chất hữu cơ, còn các tầng lá ở dưới chỉ có tiêu thụ sản phẩm quang hợp Nếu các tầng lá nhận ánh sáng dưới điểm bù mà lớn hơn các tầng lá nhận ánh sáng trên điểm bù thì quần thể đó không tích lũy và không tồn tại Do đó khi tăng diện tích lá để năng năng suất cây trồng phải luôn quan tâm đến mối quan hệ này trong một quần thể cây trồng

b Điểm bão hòa ánh sáng

Sau điểm bù ánh sáng, nếu cường độ

ánh sáng tiếp tục tăng lên thì cường

độ quang hợp cũng tăng theo, nhưng

đến lúc nào đó thì cường đọ quang

hợp tăng chậm và đạt cực đại

Cường độ ánh sáng mà tại đó cường

độ quang hợp đạt cực đại gọi là

điểm bão hòa ánh sáng của quang

hợp [9]

Sau điểm bão hòa , nếu cường độ

ánh sáng tiếp tục tăng thì cường độ

quang hợp vẫn đạt điểm bão hòa

một giới hạn nữa Khi cường độ ánh sáng quá mạnh thì quang hợp bị ức chế và đường biểu diễn cường độ quang hợp có xu hướng đi xuống

Sự giảm quang khi cường độ ánh sáng quá mạnh là do cấu trúc bộ máy quang hợp

bị tổn thương, hệ thống sắc tố bị phá hủy khi cường độ chiếu sáng quá mạnh nên phản ứng sáng và quá trình photphoryl hóa, quang hóa bị ức chế, đồng thời các phản ứng tối cũng bị ức chế do protein bị biến tính…[9]

Điểm bão hòa ánh sáng thay đổi tùy theo loại thực vật Cây ưa bóng có điểm bão hòa ánh sáng thấp hơn cây ưa sáng Những thực vật có điểm bão hòa ánh sáng cao mà điểm bù ánh sáng thấp thì thường có năng suất sinh vật rất cao như ngô,

mía, cao lương…

Quang hợp thuần (mgCO2/

cm2/giờ) Điểm bù

Điểm bão hòa ánh sáng

Hình 17.Mối liên hệ giữa quang hợp

với sự nâng cao cường độ ánh sáng

Cường độ ánh sáng

Sự suy giảm

ở cường độ ánh sáng cao

Bảng 1.Bảng thống kê cường độ ánh sáng bão hòa và điểm bù của thực vật

Nhóm cây

Cường độ điểm

bù ánh sáng (1000 lx)

Cường độ ánh sángbão hòa (1000 lx)

1 Thực vật sống trên cạn

+ Thực vật có năng suất cao (C4)

+ Cây nông nghiệp (C3)

1-1,5

0,5-1,5 0,1-0,3

> 80 20-80 50-80 5-10

25-50

20-50 5-10

15-20

II.1.2 Thành phần quang phổ

Bức xạ mặt trời chiếu tới tầng sinh quyển có bước sóng từ 0,29μm – 3μm Bức xạ sóng ngắn hơn nữa bị tầng ozone ở các lớp trên của khí quyển hấp thu[12] Ánh sáng trắng của mặt trời là hỗn hợp của nhiều màu sắc khác nhau, các tia sáng nhìn thấy phủ 7 màu cầu vồng (tím, xanh, lam, lục, vàng, da cam và đỏ), tương ứng có bước sóng  = 0,400 µm - 0,760 µm Các tia cực tím (tia tử ngoại) có bước sóng 

nằm trong khoảng 0,28µm - 0,39 µm, bị không khí hấp thụ mạnh, chỉ 2-4% tới được mặt đất[9] Biểu bì của lá cây có tác dụng ngăn cản các tia cực tím, còn dịch bào có khả năng hấp thu tia cực tím Vì thế, bức xạ cực tím không có vai trò sinh lý

đối với thực vật Những tế bào không được lớp cutin bảo vệ có thể gặp nguy hiểm khi tiếp xúc với bức xạ cực tím Bức xạ cực tím có tác dụng ức chế sinh trưởng của thực vật, hoặc phá hủy các hoóc môn (các auxin) điều hòa sinh trưởng, kiểm soát sự phân chia tế bào hoặc tác động đến khả năng phản ứng bình thường với auxin Do phải tiếp nhận nhiều bức xạ cực tím hơn nên những loài cây sống trên núi cao có tốc

độ sinh trưởng chậm, thân hình thấp bé Các tia sáng cực đỏ (tia hồng ngoại) với bước sóng  = 0,760 - 1,0 µm bị không khí( chứa CO2 và hơi nước,…) hấp thụ ( tác dụng giữ nhiệt cho Trái Đất ) và chỉ được thực vật hấp thu một phần rất nhỏ Thực vật hấp thu mạnh ánh sáng có bước sóng  = 0,39 - 0,76 µm, nghĩa là trùng với vùng ánh sáng nhìn thấy

Hình 18.Ảnh hưởng phổ ánh sáng lên quang hợp

Trong dải bước sóng nhìn thấy, những săc tố đảm trách nhiệm vụ quang hợp hấp thu bức xạ hiệu quả nhất ở các bước sóng tím - xanh và da cam – đỏ, nhưng có khả năng phản xạ và cho đi qua các bước sóng lục và vàng ( = 0,525 - 0,570 µm) Do

có đặc tính này nên chúng gây ra cho mắt người cảm giác lá cây có màu xanh[8][11]

II.2 Thiết kế modun LED từ các LED đơn công suất lớn

II.2.1 Modun LED đã nghiên cứu và ứng dụng

Ứng dụng ánh sáng nhân tạo vào nông nghiệp đã được rất nhiều nước nghiên cứu Ở các nước tiên tiến phương pháp mô hình sản xuất các sản phẩm nông nghiệp bằng công nghệ cao rất được chú trọng và phát triển rộng rãi

Ví dụ như ở Nhật Bản: Trang trại rau trong nhà được xây dựng ở tỉnh Miyagi, Nhật Bản Nó có diện tích tương đương nửa sân bóng đá, và từng là 1 nhà máy chất bán dẫn.Tại đây, cây hấp thụ ánh sáng từ 17.500 bóng đèn LED, trải dài 18 khu trồng Kết hợp với hệ thống kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm, trang trại sẽ đảm bảo điều kiện sinh trưởng cho cây trồng.Với phương pháp này, các chuyên gia và người nuôi trồng có thể kiểm soát ánh sáng và điều kiện môi trường, nhờ đó thúc đẩy quá trình quang hợp và phát triển của cây.Theo Gizmodo, trang trại có thể trồng được khoảng 10.000 cây rau diếp/ngày.Bóng đèn LED có thể tạo ra bước sóng ánh sáng tối ưu, đáp ứng nhu cầu phát triển của thực vật và thúc đẩy tăng trưởng khoảng 250%.Bên cạnh đó, lượng chất thải có thể giảm từ 50% xuống còn 10% trong 1 vụ thu hoạch, lượng nước sử dụng trong quá trình chăm sóc cây cũng giảm và giúp tiết kiệm chi phí.Các nhà khoa học cho rằng, biến đổi khí hậu đang bắt đầu có tác động và ảnh hưởng tiêu cực đến các phương pháp trồng trọt ngoài trời[13][14]

Hình 19.Mô hình trồng rau trong nhà tại Nhật Bản

Trong nước ta cũng có rất nhiều mô hình nông nghiệp ứng dụng ánh sáng nhân tạo phục vụ nông nghiệp Như mô hình trồng cây thanh long trái vụở Tiền Giang, để cho thanh long phát triển tốt cần cung cấp đủ nhiệt độ và ánh sáng kích thích cho cây ra hoa trái vụ

Hình 20.Mô hình trồng thanh long trái vụ

Tuy nhiên phương pháp ánh sáng nhân tạo này chủ yếu sử dụng đèn sợi đốt hoặc huỳnh quang, nên chi phí điện quá lớn, và hiệu quả năng suất không cao Mục tiêu là giảm giá thành chi phí điện năng chuyển đổi dùng sang LED.Nhu cầu rau sạch ở nước ta là rất lớn Tuy nhiên mô hình trồng rau chỉ phát triển dạng nhà kính, phương pháp thủy canh, hoặc có áp dụng ánh sáng nhân tạo nhưng chỉ nhằm mục đích giữ nhiệt, hay tăng nhiệt cho môi trường trồng trọt Các phương pháp này chỉ hạn chế được ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường cũng như sâu bệnh Do đó, năng suất nông nghiệp không lớn, và không kích thích được sự tăng trưởng hay ra hoa kết quả của cây trồng một cách mạnh mẽ [8]

Gần đây ứng dụng công nghệ cao vào trồng trọt, phát triển nông nghiệp được nước

ta dần chú trọng.Đầu năm công ty Showa Denko Nhật Bản đã đầu tư xây dựng nhà máy sản xuất rau sạch sử dụng công nghệ cao Tuy nhiên kỹ thuật sản xuất, canh tác lại phụ thuộc các chuyên gia Nhật bản

II.2.2 Modun LED nghiên cứu và mục tiêu phát triển

g 1 Thiết kế mạch điều khiển

LED dùng trong thiết kế

Để đảm bảo lượng photon tới bề mặt lá đủ để kích thích sự quang hợp của cây thì yêu cầu đầu tiên là LED phải có độ sáng lớn, hiệu suất phát quang cao.Sau khi tìm hiểu tôi đã lựa chon LED dùng để chế tạo LED panel là LED siêu sáng 1W và LED 3W của Honglitronic với các bước sóng khác nhau[15] Ở đây tôi sẽ trình bày các thiết kế với LED có bước sóng từ 620-630 nm (màu đỏ) Các LED khác sẽ được thiết kế tương tự.Cấu trúc của LED như hình vẽ :

Hình 21.Cấu trúc của LED

Đặc điểm của LED siêu sáng là tỏa lượng nhiệt lớn do đó bao giờ cũng có bộ phận tản nhiệt dưới chip LED, lớp tản nhiệt này thông thường là nhôm hoặc đồng

Các thông số của LED như sau :

- Thông số điện và quang khi hoạt động bình thường

Bảng 2.Các thông số điện và quang khi hoạt động bình thường.

Đại lượng Ký hiệu Điều kiện Nhỏ nhất Tr bình Lớn nhất Đơn vị

- Thông số tối đa cho phép

Bảng 3.Các thông số tối đa

Đại lượng Kí hiệu Giá trị lớn nhất Đơn vị

Nhiệt độ hoạt động TOPR -40 đến 80 0C

n I F (m A)

ng tươ

ng đối (%)

Nhiệt độ môi trường (0C) Dòng thuận I F (mA)

Điện áp thuận (V) Nhiệt độ môi trường (0

C)

- Các tham số cơ khí

Hình 23.Các tham số cơ khí

Đây là các thông số được trích từ datasheet của nhà cung cấp Có các nhận xét sau: -Từ đặc tuyến I-V ta thấy: Cường độ dòng điện cấp cho LED để linh kiện hoạt động tốt nhất là 350mA,ứng với khoảng 2,35 V Cường độ dòng điện tối đa là 500mA ứng với 2,8V

-Từ đặc tuyến Nhiệt độ-Quang thông ta thấy: Nhiệt độ càng cao, quang thông (độ sáng) phát ra càng giảm Do đó cần thiết kế tản nhiệt cho LED panel nếu muốn ổn định độ sáng

-Từ đặc tuyến Cường độ dòng điện-Quang thông ta thấy: Quang thông phát ra tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện cấp vào cho LED Do đó ta có thể điều khiển cường

độ dòng cấp cho LED để điều khiển quang thông (độ sáng ) phát ra

 Bên cạnh đó, tôi còn sử dụng LED thanh 5630 mục đích là thiết kế modul LED áp dụng cho những thực vật cần cường độ thấp và chi phí sản xuất ít[16]

- Các tham số cơ khí:

Hình 24.Các tham số cơ khí của LED 5630

Bước sóng (nm) Dòng thuận (mA)