Nghiệm thu các công trình chiếu sáng đường phố sử dụng nguồn sáng LED

LỜI CAM ĐOAN Nội dung luận văn được nghiên cứu từ cơ sở lý thuyết về nguyên lý, cấu tạo LED, các phương thức hình thành LED trắng, LED công suất cao, cách thay đổi phân bố trường sáng củ

LỜI CAM ĐOAN

Nội dung luận văn được nghiên cứu từ cơ sở lý thuyết về nguyên lý, cấu tạo LED, các phương thức hình thành LED trắng, LED công suất cao, cách thay đổi phân bố trường sáng của từng chip và module LED trắng, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống thiết bị đo quang học và thực tiễn một số công trình chiếu sáng LED

tại Việt Nam Trong luận văn này dưới sự hướng dẫn của TS Lê Hải Hưng, tôi đã

nghiên cứu về mặt lý thuyết, tiến hành đo đạc thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm (PTN) Vật lý và kỹ thuật ánh sáng trường Đại học Bách Khoa Hà Nội (ĐHBKHN) và tham gia kiểm định chiếu sáng tại một số công trình chiếu sáng của TP Hải Phòng Tôi xin cam đoan những nội dung trong đề tài luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi Nội dung luận văn hoàn toàn trung thực và chưa được ai công bố trong bất

kỳ các công trình nào Các trích dẫn trong luận văn là chính xác, trung thực và đã là các thông tin được công bố rộng rãi

Tác giả

Nguyễn Văn Thịnh

LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Lê Hải Hưng, người đã tận tình truyền

đạt và hướng dẫn cho tôi những kiến thức về kỹ thuật chiếu sáng nói chung và chiếu sáng bằng LED nói riêng, cũng như đã hết sức giúp đỡ tôi trong quá trình hoàn thành luận văn

Tôi cũng vô cùng cảm ơn thầy PGS, TS Lê Văn Doanh, người đã không những

trực tiếp truyền đạt những kiến thức cơ bản về kỹ thuật chiếu sáng mà còn là người

giới thiệu tôi đến với thầy TS Lê Hải Hưng và PTN Vật lý và kỹ thuật ánh sáng,

Viện Vật lý kỹ thuật, trường ĐHBKHN Chính ở nơi đây tôi đã biết thêm rất nhiều đều mới mẻ Đây là những kiến thức vô cùng quan trọng đối với tôi không chỉ trong việc hoàn thành luận văn mà còn vô cùng hữu ích trong công việc và cuộc sống

Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô trong bộ môn Thiết bị điện, Viện Điện

và các anh chị em đồng nghiệp đã tận tình giúp cho tôi trong suốt quá trình làm luận văn

Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau Đại học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi trong suốt thời gian làm việc và nghiên cứu

Cuối cùng, vô cùng cảm ơn bố mẹ, anh chị em trong gia đình và những người thân

đã dành những tình cảm, động viên giúp đỡ tôi vượt qua những khó khăn để hoàn thành luận văn

Hà nội, ngày 15 tháng 09 năm 2013

Nguyễn Văn Thịnh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 7

LỜI NÓI ĐẦU 10

CHƯƠNG 1 13

TỔNG QUAN VỀ LED TRONG CHIẾU SÁNG ĐƯỜNG 13

1.1 Vài nét về lịch sử phát triển của LED 13

1.2 Nguyên lý hoạt động (phát sáng) của LED 14

1.2.1 Nguyên lý: 14

1.2.2 Cấu tạo thực của LED: 15

1.3 LED trắng (White LED) 19

1.3.1 Tổng quang về LED trắng 19

1.3.2 Tạo ánh sáng trắng bằng cơ chế RGB 19

1.3.3 Tạo LED trắng bằng cơ chế phát huỳnh quang 22

1.4 Phân bố trường sáng của LED trắng 26

1.4.1 Phân bố sáng của LED thông thường 26

1.4.2 Phương pháp thay đổi phân bố sáng của LED 27

CHƯƠNG 2 32

ĐO ĐẠC CÁC THÔNG SỐ CỦA MỘT SỐ BỘ ĐÈN LED 32

2.1 Các vấn đề chung 32

2.1.1 Các hệ tọa độ dùng để biểu diễn phân bố cường độ sáng 32

2.1.2 Góc kế quang học (Goniophotometer) 35

2.1.3 Vùng và quang thông vùng: 37

2.2 Các thực nghiệm : 40

2.2.1 Thực nghiệm 1: Đo tổng quang thông của một số bộ đèn LED bằng phương pháp quang thông vùng 40

2.2.2 Thực nghiệm 2: Phép đo phân bố cường độ sáng 47

CHƯƠNG 3 54

NGHIỆM THU, ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CHIẾU SÁNG ĐƯỜNG SỬ DỤNG NGUỒN SÁNG LED 54

3.1 Tính toán phân bố độ rọi của một số bộ đèn trong mặt phẳng C00 – C1800 54

3.1.1 Xây dựng phương pháp tính: 54

3.1.2 Kết quả tính toán cho đèn CDM (Ceramic Discharge Metal) 150W 54

3.1.3 Kết quả tính toán cho đèn LED số 02: 59

3.1.4 Kết quả tính toán cho đèn LED số 04: 64

3.1.5 Một số kết quả khác 70

3.1.6 Nhận xét 76

3.2 Kiểm định một số công trình chiếu sáng tại Hải Phòng 77

3.2.1 Công trình thứ nhất: Đường Lê Hồng Phong, Hải An, TP Hải Phòng 77

3.2.2 Công trình thứ hai: Chiếu sáng khu vực trung tâm TP Hải Phòng 79

3.2.3 Một số kết quả tham khảo 81

3.3 Kiến nghị về việc tiến hành nghiệm thu công trình chiếu sáng bằng LED 84

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 85

1 Kết luận 85

2 Kiến nghị 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

PHỤ LỤC 89

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Tóm tắt quá trình phát triển của đèn LED 13

Bảng 1.2 Hiệu suất phát quang của một số loại đèn hiện nay 16

Bảng 1.3 Một vài thông số của một số loại chip LED 17

Bảng 1.4 Tỷ lệ độ chói của các thành phần RGB đối với một vài màu sắc 21

Bảng 2.1 : Mô tả quan hệ giữa các hệ tọa độ 33

Bảng 2.2 Mô tả vùng và hệ số vùng cho các góc 2 0 , 5 0 , 10 0 38

Bảng 2.3 Mô tả việc tính toán quang thông tổng của đèn LED số 01 theo phương pháp quang thông vùng 41

Bảng 2.4 Kết quả tính toán quang thông tổng của một số bộ đèn LED khác 47

Bảng 2.5 Mô tả cường độ dòng quang điện, cường độ sáng thực (Cd) của bộ đèn LED số 01 theo phương ngang và thẳng đứng 48

Bảng 3.1: Thể hiện số liệu cường độ sáng theo các góc với từng mặt phẳng ngang (C0 0 -C180 0 ) và thẳng đứng (C90 0 -C270 0 ) của bộ đèn cao áp CDM 55

Bảng 3.2 Thể hiện độ rọi theo tọa độ của phương dọc đường (ứng với C0 0 -C180 0 ) của một cột đèn cao 12m 57

Bảng 3.3: Thể hiện số liệu cường độ sáng theo các góc với từng mặt phẳng ngang (C0 0 -C180 0 ) và thẳng đứng (C90 0 -C270 0 ) của bộ đèn LED số 02 59

Bảng 3.4 Thể hiện độ rọi theo tọa độ của phương dọc đường (ứng với C0 0 -C180 0 ) của một cột đèn cao 10m 61

Bảng 3.5 Thể hiện độ rọi theo tọa độ của phương dọc đường (ứng với C0 0 -C180 0 ) của một cột đèn cao 12m 63

Bảng 3.6: Thể hiện số liệu cường độ sáng theo các góc với từng mặt phẳng ngang và thẳng đứng của bộ đèn LED số 04: 65

Bảng 3.7 Thể hiện độ rọi theo tọa độ của phương dọc đường (ứng với C0 0 -C180 0 ) của một cột đèn cao 10m 67

Bảng 3.8 Thể hiện độ rọi theo tọa độ của phương dọc đường (ứng với C0 0 -C180 0 ) của một cột đèn cao 12m 69

Bảng 3.9 So sánh kết quả tính toán chiếu sáng của ba bộ đèn CDM, đèn LED số 02 và bộ đèn LED số 04: 76

Bảng 3.10 Mô tả phân bố độ rọi giữa hai cột đèn LED tại đường Lê Hồng Phong 78

Bảng 3.11 Số liệu đo độ rọi tại chân cột của đèn HPS và LED 80

Bảng 3.12 Một số tuyến đường thay thế đèn HPS bằng LED tại TP Hồ Chí Minh 81

Bảng 3.13 Bảng so sánh tỷ lệ giữa hai phương án HPS và LED 84

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Nguyên lý làm việc của LED 14

Hình 1.2 Mô tả cấu trúc thực của mộtchip LED 15

Hình 1.3 Phổ của LED đơn sắc màu xanh lục 18

Hình 1.4 Phổ của LED đơn sắc màu xanh lam 18

Hình 1.5 Phổ của LED đơn sắc màu xanh đỏ 18

Hình 1.6 Phổ của LED trắng 19

Hình 1.7 Đường cong hệ màu RGB 20

Hình 1.8 Tạo ra LED trắng từ các màu RGB 20

Hình 1.9 Mô tả màn hình CRT hoạt động trên nguyên tắc RGB 22

Hình 1.10 Đèn ống huỳnh quang 23

Hình 1.11 Hiện tượng phát quang huỳnh quang (1) Phổ kích thích (phổ hấp thụ), (2) Phổ huỳnh quang (phổ phát xạ) 24

Hình 1.12 Quang phổ của LED trắng (a) và đèn huỳnh quang thông thường (b) 24 Hình 1.13 Mô tả chip LED với lớp phủ huỳnh quang 25

Hình 1.14 Chip LED (a) và phân bố cường độ sáng của LED nguyên bản (b) 26

Hình 1.15 Chip LED (a) và phân bố cường độ sáng của LED sau khi được phủ lớp thủy tinh hữu cơ dạng thấu kính hội tụ (b) 26

Hình 1.16 Lăng kính (a) và phân bố cường độ sáng của LED qua lăng kính (b) 28 Hình 1.17 Thấu kính (a) và phân bố cường độ sáng của LED qua thấu kính (b) 28 Hình 1.18 Mẫu thấu kính bất đối xứng HX-SD135 LED đường Osram 29

Hình 1.19 Mẫu thấu kính bất đối xứng HX-SD142 của Osram 29

Hình 1.20 Một vài mẫu thấu kính bất đối xứng khác của Osram 29

Hình 1.21 Một vài mẫu thấu kính bất đối xứng khác của Saip – Trung Quốc 30

Hình 1.22 Sắp xếp các chip hoặc module LED theo các phương khác nhau để thay đổi phân bố trường sáng của bộ đèn 30

Hình 1.23 Một số mẫu đèn đường của Saip - Trung Quốc 31

Hình 1.24 Mẫu đèn LED chiếu sáng đường LED Lixway 5 của Inaba, Nhật Bản 31 Hình 2.1 Phân bố cường độ sáng của một bộ đèn hệ tọa độ Đề các (a), hệ tọa độ cực (b) 34

Hình 2.2 Quy ước các mặt phẳng C,  của bộ đèn trong tọa độ cực 34

Hình 2.3 Đường cong phân bố cường độ sáng của một bộ đèn theo hệ C- 35

(CIE 43-1979 Guide) 35

Hình 2.4 Góc kế quang học: (a) Loại nguồn sáng quay (b) Loại gương quay 36

Hình 2.5 Cấu trúc hệ đo góc kế quang học loại gương quay 36

Hình 2.6 Hình ảnh đo phân bố cường độ sáng của bộ đèn bằng Goniophotometer tại PTN Kỹ thuật chiếu sáng, Viện Vật lý kỹ thuật, trường ĐHBKHN 37

Hình 2.7 Mô tả một vùng 37

Hình 2.8 Tập dữ liệu trắc quang của bộ đèn huỳnh quang trong máng parabol 39

Hình 2.9 Hình ảnh mẫu đèn LED số 01 41

Hình 2.10 Các đường cong phân bố cường độ sáng của đèn LED số 01 50

Hình 2.11 Hình ảnh mẫu đèn LED số 02 51

Hình 2.12 Đường cong trắc quang đèn số 02 51

Hình 2.13 Hình ảnh mẫu đèn LED số 03 52

Hình 2.14 Các đương cong phấn bố cường độ sáng của đèn LED số 03 52

Hình 2.15 Hình ảnh mẫu đèn LEDsố 04 53

Hình 2.16 Các đường cong phân bố quang thông của đèn LED số 04 53

Hình 3.1 Xác định các tọa độ chiếu sáng 54

Hình 3.2 Hình ảnh (a) và phân bố cường độ sáng của đèn CDM 150W (b) 55

Hình 3.3 Phân bố độ của một cột đèn phương dọc đường (ứng với C0 0 -C180 0 ) với cột cao 12 m 58

Hình 3.4 Phân bố độ rọi theo phương dọc đường (ứng với C0 0 -C180 0 ) giữa hai cột đèn cách nhau 35 m 58

Hình 3.5 Hình ảnh (a) và phân bố cường độ sáng của đèn LED số 02 (b) 59

Hình 3.6 Phân bố độ rọi của một đèn theo phương dọc đường (ứng với C0 0 - C180 0 ) với cột cao 10 m 62

Hình 3.7 Phân bố độ rọi theo phương dọc đường (ứng với C0 0 -C180 0 ) giữa hai cột đèn cách nhau 25 m 62

Hình 3.8 Phân bố độ rọi của một đèn theo phương dọc đường (ứng với C0 0 -C180 0 ) với cột cao 12 m 64

Hình 3.9 Phân bố độ rọi theo phương dọc đường (ứng với C0 0 -C180 0 ) giữa hai cột đèn cách nhau 35 m 64

Hình 3.10 Hình ảnh (a) và phân bố cường độ sáng của đèn LED số 04 (b) 65

Hình 3.11 Phân bố độ rọi của một đèn theo phương dọc đường (ứng với C0 0 -C180 0 ) với cột cao 10 m 68

Hình 3.12 Phân bố độ rọi theo phương dọc đường (ứng với C0 0 -C180 0 ) giữa hai cột đèn cách nhau 30 m 68 Hình 3.13 Phân bố độ rọi của một đèn theo phương dọc đường (ứng với C0 0 -C180 0 ) với cột cao 10 m 70 Hình 3.14 Phân bố độ rọi theo phương dọc đường (ứng với C0 0 -C180 0 ) giữa hai cột đèn cách nhau 35 m 70 Hình 3.15 Hình ảnh (a) và phân bố cường độ sáng của đèn LED số 01 (b) 71 Hình 3.16 Phân bố độ rọi của một đèn theo phương dọc đường (ứng với C0 0 -C180 0 ) với cột cao 10m 71 Hình 3.17 Phân bố độ rọi theo phương dọc đường (ứng với C0 0 -C180 0 ) giữa hai cột đèn cách nhau 25m 71 Hình 3.18 Hình ảnh (a) và phân bố cường độ sáng của đèn LED số 03 (b) 72 Hình 3.19 Phân bố độ rọi của một đèn theo phương dọc đường (ứng với C0 0 -C180 0 ) với cột cao 10 m 72 Hình 3.20 Phân bố độ rọi theo phương dọc đường (ứng với C0 0 -C180 0 ) giữa hai cột đèn cách nhau 25 m 73 Hình 3.21 Hình ảnh (a) và phân bố cường độ sáng của đèn LEDFawoo (b) 73 Hình 3.22 Phân bố độ rọi của một đèn theo phương dọc đường (ứng với C0 0 -C180 0 ) với cột cao 10 m 74 Hình 3.23 Phân bố độ rọi theo phương dọc đường (ứng với C0 0 -C180 0 ) giữa hai cột đèn cách nhau 20 m 74 Hình 3.24 Biển đồ phân bố cường độ sang (a), hình ảnh dèn HPS VEGA (b) 75 Hình 3.25 Phân bố độ rọi của một đèn theo phương dọc đường (ứng với C0 0 -C180 0 ) với cột cao 12 m 75 Hình 3.26 Phân bố độ rọi theo phương dọc đường (ứng với C0 0 -C180 0 ) giữa hai cột đèn cách nhau 35 m 75 Hình 3.27 Hình ảnh (a) và biểu đồ phân bố cường độ sáng (b) của đèn LED tại công trình chiếu sáng đường Lê Hồng Phong, Hải An, Hải Phòng 78 Hình 3.28 Phân bố độ rọi giữa hai cột đèn công trình chiếu sáng đường Lê Hồng Phong, Hải An, Hải Phòng 78 Hình 3.29 Hình ảnh thực kiểm định chiếu sáng tại công trình chiếu sáng đường Lê Hồng Phong, Hải An, Hải Phòng 79 Hình 3.30 Đường Trần Hưng Đạo được chiếu sáng hỗn hợp 80

LỜI NÓI ĐẦU

1 Lý do chon đề tài của luận án

Hiện nay, hầu hết hệ thống đường phố trong các đô thị ở nước ta đều được chiếu sáng bằng các các loại đèn phóng điện như đèn cao áp Natri (High Pressur Sodium: HPS), đèn Metal Halide và một số địa điểm vẫn còn dùng đèn cao áp thủy ngân (High Pressur Mercury: HPM) Đây là các loại đèn có công suất tiêu thụ điện cao, phát ra quang thông lớn phục vụ chiếu sáng tại những không gian rộng

Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, trong vài năm trở lại đây, đèn LED đã du nhập khá ồ ạt vào nước ta và chúng đã có chỗ đứng vững chắc trong các công trình chiếu sáng nhỏ, đặc biệt là chiếu sáng quảng cáo Tuy nhiên, từ khi LED trắng ra đời, nó mới thực sự đi vào cuộc sống với vai trò chiếu sáng dân dụng LED trắng, đặc biệt là LED trắng công suất lớn đã tạo ra một cuộc cách mạng trong ngành công nghiệp chiếu sáng Không chỉ có chất lượng chiếu sáng tốt, LED còn khẳng định khả năng tiết kiệm năng lượng vô cùng lớn, đây là yếu tố quyết định giúp LED khẳng định vị trí vai trò to lớn trong sự phát triển của ngành chiếu sáng trong tương lai

Ngày nay, các hệ thống chiếu sáng đường phố sử dụng đèn LED đang từng bước được sử dụng thay thế cho các loại đèn truyền thống ở nước ta Cho đến nay đã có một số công trình chiếu sáng bằng LED được triển khai ở một vài thành phố lớn tại Việt Nam Cho đến nay, các công trình chiếu sáng bằng LED tiêu biểu ở Việt Nam

là hệ thống chiếu sáng LED trên đường Thành Thái (quận 1), đường Nguyễn Thái Bình (quận Tân Bình), đường Hoa Lam (quận Phú Nhuận) TP Hồ Chí Minh, hệ thống 259 đèn LED công suất lớn được lắp đặt tại khu vực trung tâm thành phố Hải Phòng LED cũng đã được mắc để chiếu sáng một số tuyến đường tại thành phố Đà Nẵng hoặc được lắp đặt trên một số cầu vượt tại Hà Nội…

Tất cả các công trình chiếu sáng bằng LED nói trên đều đã khẳng định tính hơn hẳn về chất lượng ánh sáng và tiết kiệm điện Tuy nhiên bên cạnh những ưu điểm

đó, có một vài vấn đề lớn thuộc về kỹ thuật còn tồn tại, đó là:

Thứ nhất: Chúng ta chưa hề có một công trình chiếu sáng bằng LED được xây

dựng đồng bộ mà mới áp dụng một cách đơn giản là thay thế các bộ đèn HPS hoặc Metal Halide cũ bằng các bộ đèn LED mới mà không hề quan tâm tới những thông

số như độ cao và khoảng cách các cột đèn, cũng như các dữ liệu trắc quang (Photometric Data) của chúng có tương thích hay không Kết quả là hệ thống chiếu sáng đường bằng LED thường có hề số đồng đều thấp tức là trường sáng có hiện tượng bậc thang khá rõ ràng [6]

Thứ hai: Khi các đèn LED công suất khá thấp được treo ở những vị trí cao (đôi

khi quá cao) dẫn đến độ rọi sáng trên mặt đường thấp (nhiều khi không đạt so với tiêu chuẩn), trong khi ưu thế tiện nghi của LED (do có chỉ số CRI cao) lại không được chú ý thích đáng [6]

Phải khẳng định rằng, tất cả những “điểm yếu” trên không phải do đèn LED mà

do chúng ta đã bỏ qua các nguyên tắc cơ bản khi thay thế hai nguồn sáng có quang thông và phân bố cường độ sáng hoàn toàn khác nhau vào cùng một vị trí Mặt khác

vì hiện nay chưa có các tiêu chuẩn nghiệm thu các công trình chiếu sáng bằng LED nên chúng ta đã “tạm” sử dụng hệ thống tiêu chuẩn nghiệm thu công trình chiếu sáng đường với các nguồn sáng truyền thống để áp dụng cho công trình chiếu sáng bằng LED Điều đó đã gây ra không ít tranh cãi về kết quả nghiệm thu các công trình chiếu sáng LED và nguy hiểm hơn là gây tâm lý “ngại” đầu tư các công trình chiếu sáng ưu việt này

Trong tình hình trên, là người đã thực hiện đồ án Thiết kế chiếu sáng ở trình độ

kỹ sư và với sự yêu thích lĩnh vực này, tôi đã lựa chọn đề tài của luận án cao học là:

“Nghiệm thu các công trình chiếu sáng đường phố sử dụng nguồn sáng LED”

Mục đích của luận án nhằm đo đạc phân tích sâu về đặc tính chiếu sáng của các loại đèn LED sử dụng trong chiếu sáng đường, từ đó đưa ra các kiến nghị về một bộ tiêu chuẩn mới để áp dụng cho việc nghiệm thu các công trình chiếu sáng đường phố khi

sử dụng nguồn sáng LED

2 Phương pháp nghiên cứu

Ngoài những việc nghiên cứu sơ lược các lý thuyết về LED và phương pháp trắc

quang, luận án tập trung vào các thực nghiệm chính là:

- Đo đạc các thông số quang học như quang thông , phân bố cường độ sáng của một số bộ đèn chiếu sáng đường phố thông thường và đèn LED để phân biệt sự khác biệt giữa chúng

- Tính toán chiếu sáng với từng loại đèn thông thường và đèn LED

- Đo đạc và kiểm tra so sánh phân bố độ rọi của một và công trình chiếu sáng LED

để đánh giá các thông số chiếu sáng theo tiêu chuẩn

- Đề nghị một phương pháp nghiệm thu công trình chiếu sáng bằng LED

3 Bố cục của luận án

Nội dung luận án gồm có 3 chương:

- Chương 1: Tổng quan về LED trong chiếu sáng đường

- Chương 2: Đo đạc các thông số của một số bộ đèn LED

- Chương 3 Nghiệm thu, đánh giá chất lượng chiếu sáng đường sử dụng nguồn sáng LED

- Kết luận và kiến nghị

Toàn bộ số liệu thực nghiệm được đo đạc tại PTN Vật ý và kỹ thuật ánh sáng thuộc Viện Vật lý kỹ thuật, trường đại học Bách khoa Hà Nội Các kết quả nghiệm thu được thực hiện tại công trình chiếu sáng bằng LED, trung tâm thành phố Hải

Phòng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LED TRONG CHIẾU SÁNG ĐƯỜNG

1.1 Vài nét về lịch sử phát triển của LED

Năm 1961, hai nhà khoa học người Mỹ là Robert Biard và Gary Pittman, làm việc ở Texas Instruments, đã phát hiện chất bán dẫn GaAs phát ra tia hồng ngoại khi

có dòng điện chạy qua và đã nhận bằng phát minh LED hồng ngoại Vì vậy, theo nhận định của nhiều nhà khoa học thì đây là thời điểm ra đời của chip LED đầu tiên trên thế giới

LED đầu tiên phát ra ánh sáng có thể nhìn thấy là loại LED phát ánh sáng màu

đỏ, do Nick Holonyak phát hiện, vào năm 1962 khi ông đang làm việc cho cho General Electric Company Holonyak đã báo cáo hiện tượng này trong lá thư anh gởi cho tạp chí Applied Physics Letters vào ngày 01-12-1962 Holonyak được xem

là cha đẻ của LED M George Craford, một sinh viên tốt nghiệp trước Holonyak,

đã phát minh ra LED màu vàng đầu tiên và đã tăng độ sáng lên 10 lần cho LED màu

đỏ và LED màu đỏ - cam vào năm 1972 Vào năm 1976, T P Pearsall lần đầu tiên

đã tạo ra LED công suất cao, hiệu suất cao dung cho cáp quang

Năm 1993, Công ty Hóa chất Nichia của Nhật Bản đã nghiên cứu hoàn chỉnh công nghệ chế tạo loại LED cho ánh sáng trắng với cơ chế LED huỳnh quang Kết quả nghiên cứu nói trên đã mở ra cơ hội mới để ứng dụng đèn LED vào cuộc sống LED trắng đã tạo nên cách mạng trong kỹ thuật chiếu sáng

Quá trình phát triển của đèn LED có thể tóm tắt theo bảng 1.1:

Bảng 1.1 Tóm tắt quá trình phát triển của đèn LED

1.2 Nguyên lý hoạt động (phát sáng) của LED

1.2.1 Nguyên lý

Bản chất của LED là một diode, nó chứa một chíp bán dẫn có pha các tạp chất để tạo ra một tiếp giáp P-N

Hình 1.1 Nguyên lý làm việc của LED

Khối bán dẫn loại P (Positive) chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi ghép với khối bán dẫn N (Negative) (chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối N Đông thời khối P lại nhận thêm các điện tử (điện tích âm) từ khối N chuyển sang Kết quả là khối P tích điện

âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điện tử) trong khi khối N tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống)

Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hòa Năng lượng dưa thừa do sự tái hợp giữa điện tử và lỗ trống phát sinh photon dưới dạng ánh sáng

Chính vì vậy LED được viết tắt của cụm từ “Light Emitting Diode”

1.2.2 Cấu tạo thực của LED

Cấu tạo thực của một đèn LED được thể hiện cụ thể qua hình 1.2

Hình 1.2 Mô tả cấu trúc thực của mộtchip LED

Một LED nói chung được cấu tạo từ những thành phần cơ bản sau:

Lớp chuyển tiếp P – N (là vị trí phát sáng của LED nên đôi khi được gọi là tim

đèn): được cấu tạo từ hai chất bán dẫn loại P và N Đây là phần phát ra ánh sáng của chip LED Thông thường các vật liệu bán dẫn được cấu tạo từ hai chất bán dẫn chính là AlGaP và InGaN Tim đèn có chức năng, khi cho dòng điện một chiều đi qua làm chuyển động khuếch tán các điện tích âm và dương giữa hai điện cực, và giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng

Hai điện cực: thông thường chúng có độ dài khác nhau, chân dài là anode (điện

cực dương), ngắn hơn là cathode (điện cực âm), dùng để cung cấp nguồn một chiều

Thấu kính: lớp vỏ nhựa trong suốt phủ bên ngoài tim đèn và một phần chân cực,

có chức năng bảo vệ mặt phát sáng và hội tụ ánh sáng về phía trước

Để tăng hiệu quả phát sáng, người ta phủ một lớp phản xạ ở mặt dưới cùng của chất bán dẫn Lớp này có tác dụng phản xạ hầu hết các bức xạ sáng phát ra từ lớp bán dẫn Điều đó cũng giải thích tại sao các chip LED thường phát sáng về một hướng nhất định

Khi bắt đầu xuất hiện, các LED trắng thường chỉ đạt hiệu suất phát quang khoảng 40÷60 lm/W (nghĩa là tương đương hiệu suất phát quang của đèn huỳnh quang) Hiện nay hiệu suất phát quang của đèn LED trắng đã đạt đến 90÷120 lm/W Đặc biệt tại một số PTN trên thế giới đã công bố chế tạo thành công LED có hiệu suất phát quang đạt 150 lm/W (đồng nghĩa với việc LED đã dẫn đầu về hiệu suất phát quang)

Bảng 1.2 Hiệu suất phát quang của một số loại đèn hiện nay

Tùy theo mức năng lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng phát

ra khác nhau (màu sắc của LED sẽ khác nhau) Mức năng lượng lại hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc và thành phần của các nguyên tử chất có trong chất bán dẫn Bảng 1.3 liệt kê một số loại vật liệu bán dẫn, điện áp nuôi và bước sóng ánh sáng của một vài loại LED

Các hình 1.3, 1.4, 1.5 mô tả phổ và thông tin về màu của một vài loại LED:

Bảng 1.3 Một vài thông số của một số loại chip LED

phosphide (AlGaInP) Gallium(III) phosphide (GaP)

4.0 Indium gallium nitride (InGaN)

Đỏ tía multiple types 2.48 < ΔV <

Hồng multiple types ΔV ~ 3.3[7]

Blue with one or two phosphor layers:

yellow with red, orange or pink phosphor added afterwards,

or white with pink pigment or dye

spectrum ΔV = 3.5 Blue LED/UV + Yellow Phosphorus

Hình 1.3 Phổ của LED đơn sắc màu xanh lục

Hình 1.4 Phổ của LED đơn sắc màu xanh lam

Hình 1.5 Phổ của LED đơn sắc màu xanh đỏ

Hình 1.6 Phổ của LED trắng

1.3 LED trắng (White LED)

1.3.1 Tổng quang về LED trắng

Thực ra các LED ban đầu con người tạo ra hoàn toàn là các LED đơn sắc Bản chất vật lý của vấn đề là ở chỗ mỗi cặp bán dẫn P-N nhất định chỉ cho phép phát xạ một năng lượng nhất định tức là chỉ phát ra một ánh sáng đơn sắc [2]

Tuy nhiên do yêu cầu phát triển của khoa học công nghệ và đời sống, con người rất cần các LED phát ra ánh sáng trắng Và cũng chỉ khi chế tạo được LED trắng thì LED mới thực sự tạo ra cuộc cách mạng trong chiếu sáng tiết kiệm năng lượng Cho đến nay người ta có hai phương pháp chính để tạo ra ánh sáng trắng từ LED,

đó là phương pháp hòa trộn màu RGB và phương pháp phát xạ huỳnh quang Hai phương pháp này sẽ được trình bày trong mục 1.3.2 và 1.3.3

1.3.2 Tạo ánh sáng trắng bằng cơ chế RGB

1.3.2.1 Hệ RGB là gì

Nguyên lý trộn ba màu cho cảm nhận màu trắng của thị giác đã có từ thời cổ xưa,

là hệ quả của nguyên lý thị giác ba biến RGB (Red – Green – Blue) Người ta đã thấy rằng bất kỳ một màu nào trong tự nhiên đều có thể được tạo thành từ ba màu

cơ bản RGB, với quy định R ( màu đỏ) có bước sóng λ = 700μm, G (màu xanh lá cây) có bước sóng λ = 546 μm và B (màu xanh ra trời) có bước sóng λ = 436μm Các đường biểu diễn RGB được mô tả trên hình 1.7 Chú ý rằng, các màu được tạo

ra theo nguyên lý này hoàn toàn là do tác dụng sinh lý của thị giác chứ không phải của vật lý, tuy nhiên sự hỗn hợp tuân theo các định luật tuyến tính (định luật Grassman), tức là những quang thông đơn sác thành phần sẽ hỗn hợp theo quy tắc toán học của đại lượng đại số; độ chói của hỗn hợp màu là tổng độ chói của các màu thành phần [1], [3], [4]

Hình 1.7 Đường cong hệ màu RGB

Nếu muốn có ánh sáng màu trắng của một bộ đèn chuẩn nào đó, chẳng hạn ánh sáng của đèn với sợi đốt bằng Wolfram, thì độ chói của ba bức xạ đơn sắc cơ bản của hệ thống RGB phải có tỷ lệ sau đây: G = 4,59R và B = 0,06R [1], (hình 1.8)

Hình 1.8 Tạo ra LED trắng từ các màu RGB

Bước sóng trội λ của hỗn hợp màu đơn sắc phụ thuộc vào tỷ lệ độ chói giữa ba bức xạ thành phần RGB, đồ thị của quan hệ này gọi là hàm số màu (hình 1.7) [1]

Từ đồ thị của hàm số màu, dễ dàng tìm được tỷ lệ độ chói của ba màu cơ bản RGB để cho hỗn hợp màu đơn sắc bước sóng λ nhất định và tùy ý Các ví dụ được dẫn ra ở trong bảng 1.4:

Bảng 1.4 Tỷ lệ độ chói của các thành phần RGB đối với một vài màu sắc

Hình 1.9 Mô tả màn hình CRT hoạt động trên nguyên tắc RGB

1.3.2.2 Nhược điểm của phương pháp tạo LED trắng sử dụng nguyên lý RGB Mặc dù phương pháp tạo màu theo nguyên lý RGB đã mang lại cho con người một trong những sản phẩm thiết yếu nhất là Tivi màu nhưng nó cũng bộc lộ một loạt các điểm hạn chế nếu ta dùng chúng trong lĩnh vực chiếu sáng, đó là:

 Chỉ tạo ra được những hệ phát ánh sáng trắng công suất nhỏ

 Hiệu suất năng lượng của quá trình là rất thấp Chúng ta có thể kiểm chứng điều này qua việc nếu ta sử dụng một Tivi 100W để chiếu sáng thì độ sáng của nó vẫn không thể vượt quá độ sáng của một đèn Compact khoảng 7W

 Ngoài ra các hệ phát sáng trắng theo nguyên lý RGB thường là các hệ cồng kềnh, đắt tiền và không thể chịu được những tác động khắc nghiệt của khí hậu nếu dùng

nó để chiếu sáng ngoài trời

Ngày nay người ta đã tìm ra phương pháp chế tạo LED phát ánh sáng trắng có hiệu quả cao hơn, đó là phương pháp huỳnh quang

1.3.3 Tạo LED trắng bằng cơ chế phát huỳnh quang

1.3.3.1 Sơ lược về hiện tượng huỳnh quang

 Định nghĩa: hiện tương huỳnh quang là hiện tượng bức xạ thứ cấp của các phân

tử ở trạng thái kích thích

 Các phương pháp kích thích:

Kích thích quang – huỳnh quang:

Bản chất của quá trình này là dùng bức xạ quang học làm cho một chất phát quang Nguyên tắc này được ứng dụng trong đèn huỳnh quang

Hình 1.10 Đèn ống huỳnh quang

Theo nguyên tắc này, các electron phóng qua lại giữa hai điện cực trong ống đèn

đã va chạm với các nguyên tử thủy ngân đang ở trạng thái hơi bão hòa Sau khi nhận được năng lượng do va chạm, các nguyên tử thủy ngân phát ra một quang phổ vạch trong đó bức xạ sóng λ = 253,7 nm chiếm khoảng 60% [5] Bức xạ này đã kích thích lớp bột huỳnh quang trên thành ống Kết quả là chúng sẽ phát ra ánh sáng trắng

Sinh hóa huỳnh quang:

Là các quá trình trao đổi sinh học ở trong cơ thể động thực vật làm cho chúng phát sáng Đây là trường hợp phát huỳnh quang của một số côn trùng như con đom đóm hoặc hột số nhuyễn thể ở dưới biển

 Hai đặc điểm quan trọng của hiện tượng huỳnh quang:

Thứ nhất: Các chất huỳnh quang có thể phát ra ánh sáng trắng ngay ở nhiệt độ

phòng Điều này giúp ta phân biệt hiện tượng huỳnh quang với hiện tượng phát sáng do bức xạ nhiệt (như ở đèn sợi đốt cần nhiệt độ t0> 20000C mới bắt đầu phát sáng trắng) Điều này cũng giải thích tại sao các hiệu ứng huỳnh quang thường có hiệu suất năng lượng cao hơn nhiều so với các nguồn sáng nhiệt (đèn sợi đốt hoặc đốt than, củi …)

Thứ hai: Phổ huỳnh quang bao giờ cũng dịch chuyển về phía sóng dài so với phổ

kích thích (hình 1.11) Điều này gợi ý cho ta biết muốn LED trắng có phổ huỳnh quang nằm trong vùng nhìn thấy (bước sóng từ 380nm đến 760nm) thì ta phải dùng các LED đơn sắc có bước sóng rất ngắn

Hình 1.11 Hiện tượng phát quang huỳnh quang (1) Phổ kích thích (phổ hấp thụ),

(2) Phổ huỳnh quang (phổ phát xạ)

Hình 1.12 Quang phổ của LED trắng (a) và đèn huỳnh quang thông thường (b)

Hình 1.12 (a) mô tả quang phổ tổng quát của một LED trắng Quang phổ này bao giờ cũng gồm hai đỉnh, trong đó đỉnh hẹp ở phía sóng ngắn là phần còn dư của bức

xạ kích thích và phần phổ rộng hơn ở phía sóng dài chính là phổ huỳnh quang Quan sát các phổ huỳnh quang của LED trắng (hình 1.12 (a)) ta thấy chúng có dáng dấp của một quang phổ liên tục, trong khi đó các đèn huỳnh quang và compact đều có phổ dạng vạch khá rõ ràng (hình 1.12 (b)) Điều đó chứng tỏ tại sao LED

trắng luôn luôn cho ánh sáng có CRI (Color Rendering Index) cao hơn so với các

200 300 400 500 600 700

nm

Năng lượng

đèn huỳnh quang ống thẳng và huỳnh quang compact Và CRI cao chính là một ưu thế nổi trội của LED so với các nguồn sáng khác (trừ đèn sợi đốt)

Dựa trên nguyên lý này người ta đã sử dụng các bức xạ đơn sắc của các LED phát sóng ngắn để kích thích bột huỳnh quang làm cho lớp bột huỳnh quang phát ra ánh sáng trắng Hình 1.12 mô tả cấu tạo của một chip LED phát ánh sáng trắng bằng phương pháp huỳnh quang

Hình 1.13 Mô tả chip LED với lớp phủ huỳnh quang

1.3.3.2 Một số mẫu chất huỳnh quang thường dùng

Hiện nay trong công nghệ LED, người ta có thể tạo ra một chip LED phát ra ánh sáng có màu sắc tùy ý Các chất huỳnh quang thường được dùng là:

 Photpho ba màu LPTB-69 (CT = 6800-7000 K) phát ra ánh sáng ban ngày

1.4 Phân bố trường sáng của LED trắng

1.4.1 Phân bố sáng của LED thông thường

Bản chất của LED là các nguồn sáng phát quang phẳng, nghĩa là 100% ánh sáng của chip LED đều phát về phía trước Điều đó cũng có nghĩa là họ đường cong cường độ sáng của các chip LED nguyên bản (chưa được lắp thêm thấu kinh hoặc lăng kính) có dạng gần với đối xứng cầu (hình 1.14)

(a) (b)

Hình 1.14 Chip LED (a) và phân bố cường độ sáng của LED nguyên bản (b)

Ở một số loại chip LED đã được gắn với thấu kính bằng thủy tinh hữu cơ (đôi khi người tại nôm na là giọt lệ) thì chùm sáng do chip LED phát ra có góc mở nhỏ Trong những trường hợp này, họ các đường cong trắc quang do chip LED phát ra

có dạng một Elipsoit (hình 1.15)

(a) (b)

Hình 1.15 Chip LED (a) và phân bố cường độ sáng của LED sau khi được phủ lớp

thủy tinh hữu cơ dạng thấu kính hội tụ (b)

1.4.2 Phương pháp thay đổi phân bố sáng của LED

Các chip LED nguyên bản có phân bố trường sáng là hình cầu hoặc elipsoit thường có công suất nhỏ và được sử dụng rộng rãi trong chiếu sáng quảng cáo trong một không gian hẹp, nhưng chúng lại có nhiều nhược điểm khi tổ chức chiếu sáng tại những khu vực rộng lớn hơn

Để có thể sử dụng LED trắng trong việc chiếu sáng trong các khu vực rộng như quảng trường, đường giao thông, đường phố, ngoài việc tạo ra những chip LED công suất lớn, người ta còn phải tính toán, thiết kế để các chip LED hoặc tổ hợp chip LED có góc mở của trường sáng rộng hơn

Để thực hiện công việc này, các nhà chế tạo chip LED thường làm theo hai phương án là sử dụng các phần tử quang hoặc hoặc thay đổi phương chiếu sáng của từng phần tử hoặc module LED

Xét về mặt phân bố sáng thì cả hai phương pháp trên có tác dụng giống như chức năng của một chóa đèn trong các bộ đèn HPS hoặc Metal Halide

1.4.2.1 Phương án 1: Sử dụng các phần tử quang học

Gắn lên mặt chip LED nguyên bản một phần tử quang học là một lăng kính hoặc thấu kính bất đối xứng Các phần tử quang học này sẽ có tác dụng phân bố lại trường sáng, làm tăng góc mở của trường sáng của các chip LED nguyên bản

Hình 1.16 mô tả một lăng kính dùng cho chip LED đơn (mẫu HX-SD124 - Osram) [10] và mô phỏng họ đường cong phân bố cường độ sáng của chip LED khi

được gắp lăng kính Nhìn hình vẽ ta thấy rằng phân bố cường độ sáng của chip LED giống như của một bộ đèn chiếu sáng đường, trong đó đường cong màu xanh (C900– 2700) tương tự phân bố sáng của LED nguyên bản vì không chịu tác dụng của lăng kính, còn đường cong màu đỏ (C00 – 1800) tương tự phân bố sáng của một đèn chiếu sáng đường nghĩa là góc mở đã được tăng lên rất nhiều

(a) (b) Hình 1.16 Lăng kính (a) và phân bố cường độ sáng của LED qua lăng kính (b) Hình 1.17 mô tả một thấu kính bất đối xứng - mẫu SP01CR-FT60135L của Nhật Bản [10] (thực chất là hai thấu kính ở hai bên) và mô phỏng họ đường cong phân bố

cường độ sáng của chip LED khi được gắp thấu kính Nhìn hình vẽ ta thấy rằng phân bố cường độ sáng của chip LED sau khi gắn thấu kính bất đối xứng giống như của một bộ đèn chiếu sáng đường, nghĩa là góc chùm sáng đã được mở rộng

(a) (b)

Hình 1.17 Thấu kính (a) và phân bố cường độ sáng của LED qua thấu kính (b)

Hình 1.18 Mẫu thấu kính bất đối xứng HX-SD135 LED đường Osram

Hình 1.19 Mẫu thấu kính bất đối xứng HX-SD142 của Osram

Hình 1.20 Một vài mẫu thấu kính bất đối xứng khác của Osram

Hình 1.21 Một vài mẫu thấu kính bất đối xứng khác của Saip – Trung Quốc

1.4.2.2 Phương án 2: Thay đổi phương chiếu của từng phần tử hoặc module LED Trong nhiều trường hợp, để đơn giản trong sản xuất và giảm giá thành của sản phẩm, người ta bố trí các LED nguyên bản thành các module dạng phẳng, mỗi module gồm nhiều LED và có công suất tổng cộng đến hàng trăm watt, sau đó sắp xếp các module theo các hướng khác nhau để tăng góc mở của chùm sáng Hình 1.22 mô tả phương án bố trí ba module LED theo ba phương khác nhau Trong hình

vẽ này các đường Elipsoit là phân bố cường độ sáng của từng module LED, đường nét đứt là phân bố sáng tổng hợp của cả hệ

Hình 1.22 Sắp xếp các chip hoặc module LED theo các phương khác nhau để thay

đổi phân bố trường sáng của bộ đèn

Module LED

Hình 1.23 Giới thiệu một số kiểu bố trí các module LED để mở rộng góc mở của

bộ đèn

Hình 1.23 Một số mẫu đèn đường của Saip - Trung Quốc

Để tăng cường độ chiếu sáng của bộ đèn LED, một số hãng lại lựa chọn phương

án kết hợp giữa phản xạ hội tụ và thay đổi phương chiếu sáng Trong kỹ thuật này, mỗi chip LED công suất lớn được đặt trong một chóa phản xạ, các chóa phản xạ lại được xếp thành các module phát sáng về các phương khác nhau

Hình 1.24 mô tả một bộ đèn LED chiếu sáng đường kết hợp giữa phản xạ hội tụ

và thay đổi phương chiếu sáng của hãng Inaba, Nhật Bản

Hình 1.24 Mẫu đèn LED chiếu sáng đường LED Lixway 5 của Inaba, Nhật Bản

CHƯƠNG 2

ĐO ĐẠC CÁC THÔNG SỐ CỦA MỘT SỐ BỘ ĐÈN LED

Để mô tả đầy đủ các đặc tính cơ - quang của một bộ đèn LED, người ta phải đo đạc rất nhiều thông số như các kích thước cơ khí, cấp bảo vệ (Index Protection: IP), quang thông, họ các đường cong trắc quang, các thông tin về màu như nhiệt độ màu (Tempeture colour: Tc), hệ số hoàn màu (Colour Rendering Index: CRI) … nhưng trong khuôn khổ của luận văn chúng tôi chỉ trình bày phương pháp và thực hành đo hai đại lượng chính là quang thông và họ đường cong phân bố cường độ sáng của

2.1.1.3 Hệ tọa độ C, γ

2.1.1.4 Quan hệ giữa các hệ tọa độ

Trong những trường hợp cụ thể, người ta có thể tùy chọn cách biểu diễn họ các đường cong cường độ sáng của một bộ đèn trong một hệ tọa độ bất kỳ Bảng 2.1

mô tả quan hệ tọa độ giữa các hệ khác nhau

Bảng 2.1 : Mô tả quan hệ giữa các hệ tọa độ

Hình 2.1 mô tả các đường cong phân bố cường độ sáng của một bộ đèn trong hai

hệ tọa độ Đề các và hệ tọa độ cực

Hệ tọa độ

đã cho

Hệ tọa độ cần chuyển Góc nghiêng mặt phẳng Góc trong mặt phẳng

A, B,  tan B = tan /cos A sin  = sin A  cos 

A, C,  tan C = tan /sin A cos  = cos A  cos 

B,  A, tan A = tan /cos B sin  = sin B  cos 

B,  C,  tan C = sin B/tan  cos  = cos B  cos 

C,  A, tan A = cos C/tan  sin  = sin C  sin 

C,  B,  tan B = sin C/tan  sin  = cos C  sin 

(a) (b) Hình 2.1 Phân bố cường độ sáng của một bộ đèn hệ tọa độ Đề các (a), hệ tọa độ

cực (b)

Trong thực tiễn chiếu sáng và theo quy định của CIE 43-1979 Guide, người ta thường sử dụng hệ C,  (là hệ tọa độ cực) để biểu diễn họ đường cong phân bố cường độ sáng của các bộ đèn trong hệ tọa độ cực với các quy ước như hình 2.1 [8]

Hình 2.2 Quy ước các mặt phẳng C,  của bộ đèn trong tọa độ cực

Sử dụng tất cả các mặt phẳng (C, ) theo hướng dẫn CIE 43-1979 Guide người ta

có thể biểu diễn được cường độ sáng của bộ đèn ở bất kỳ điểm nào ở trong trường sáng của nó Tuy nhiên trong thực tiễn kỹ thuật chiếu sáng người ta thường để ý đến hai mặt phẳng chính là

- Mặt C00 – C1800 mổ tả phân bố cường độ sáng của bộ đèn theo phương dọc trục của đường

- Mặt C900 – C2700 mổ tả phân bố cường độ sáng của bộ đèn theo phương vuông góc với trục của đường

Đặc biệt, trong những trường hợp đơn giản, người ta chỉ quan tâm tới phân bố cường độ sáng của bộ đèn theo phương C00 – C1800 vì nó không những cho phép người ta tính được phân bố cường độ sáng (hoặc độ rọi) dọc theo trục đường mà còn cho phép người ta tính được độ đồng đều dọc, một thông tin quan trọng nhất trong chiếu sáng đường giao thông nói chung và đường phố nói riêng

Hình 2.2 mô tả phân bố cường độ sáng trong hai mặt phẳng của bộ đèn Trong đó đường nét liền là của mặt phẳng C00 – C1800, đường nét đứt là của mặt phẳng C900– C2700

Với cách biểu diễn này, những người thiết kế chiếu sáng chỉ cần căn cứ vào biểu

đồ đã có thể có những lựa chọn về loại đen và phương án bố trí cho từng công trình chiếu sáng cụ thể

Hình 2.3 Đường cong phân bố cường độ sáng của một bộ đèn theo hệ C-

(CIE 43-1979 Guide)

2.1.2 Góc kế quang học (Goniophotometer)

Góc kế quang học là dụng cụ dùng để do sự phân bố cường độ sáng của bộ đèn trong không gian

2.1.2.1 Phân loại

(a) (b) Hình 2.4 Góc kế quang học: (a) Loại nguồn sáng quay (b) Loại gương quay

Hình 2.5 Cấu trúc hệ đo góc kế quang học loại gương quay

2.1.2.2 Nguyên lý hoạt động góc kế quang học loại gương quay

Tia sáng từ nguồn (phản xạ qua choá) tới gương và phản xạ vào detector Detector được đặt trong hộp kín để tránh tác động của các tia sáng ngoại lai Detector cho dòng điện tỷ lệ với cường độ sáng của tia sáng

Với một vị trí nhất định của đèn, khi gương quay một vòng, nó sẽ hướng các tia sáng xung quanh đèn trong một mặt phẳng kinh tuyến với bước đo góc đã định, máy tính sẽ cho từng cặp số liệu (góc, cường độ sáng) và căn cứ vào tập số liệu này để

vẽ đường cong cường độ sáng trong mặt phẳng

Đặt đèn ở vị trí góc khác ta sẽ thu được một đường cong cường độ sáng ở vị trí góc mới này

Hình 2.6 Hình ảnh đo phân bố cường độ sáng của bộ đèn bằng Goniophotometer tại PTN Kỹ thuật chiếu sáng, Viện Vật lý kỹ thuật, trường ĐHBKHN

2.1.3 Vùng và quang thông vùng

2.1.3.1 Vùng và hệ số vùng

Hình 2.7 Mô tả một vùng

Phần góc khối tạo bởi góc phẳng ∆α khi nó quay quanh trục 3600 được gọi là vùng (Hình 2.5)

Giá trị của góc khối  ứng với góc phẳng  = i+1 - i quay một vòng gọi là hệ

Giới hạn vùng (0)

Giới hạn vùng (0)

Hệ số vùng (sr)

Giới hạn vùng (0)

Giới hạn vùng (0)

Hệ số vùng (sr)

0-5 5-10 10-15 15-20 20-25 25-30 30-35 35-40 40-45 45-50 50-55 55-60 60-65 65-70 70-75 75-80 80-85 85-90

175-180 170-175 165-170 160-165 155-160 150-155 145-150 140-145 135-140 130-135 125-130 120-125 115-120 110-115 105-110 100-105 99-100 90-95

0.0239 0.0715 0.1186 0.1649 0.2097 0.2531 0.2946 0.3337 0.3703 0.4041 0.4349 0.4623 0.4862 0.5064 0.5228 0.5351 0.5434 0.5476

0-10 10-20 20-30 30-40 40-50 50-60 60-70 70-80 80-90

170-180 160-

170 150-

160 140-

150 130-

140 120-

130 110-120 100-110 90-100

0.095 0.283 0.463 0.628 0.774 0.897 0.993 1.058 1.091

2.1.3.2 Quang thông vùng

Quang thông vùng được hiểu là phần quang thông chứa trong một góc khối ứng với một vùng nào đó trong trường sáng của bộ đèn [8] Tổng quang thông của các vùng chính là quang thông của bộ đèn Theo CIE 43-1979 Guide, trong tệp dữ liệu trắc quang (Photometic Data), người ta chỉ quan tâm tới các vùng 00 ÷ 300, 00 ÷ 400,

00 ÷ 600, 600 ÷ 900, 900 ÷ 1800, 00 ÷ 1800 Hình 2.7 mô tả một mẫu báo cáo trắc

quang (Photometric Report) hay một tệp dữ liệu trắc quang của một bộ đèn Trong báo cáo này, quang thông vùng (Zonal Lumen Sumary) được liệt kê đầu tiên

Hình 2.8 Tập dữ liệu trắc quang của bộ đèn huỳnh quang trong máng parabol

(Source: Lithonia Lighting)

2.2 Các thực nghiệm

2.2.1 Thực nghiệm 1: Đo tổng quang thông của một số bộ đèn LED bằng phương pháp quang thông vùng

2.2.1.1 Mô tả phép đo

Bước 1: Đặt bộ đèn LED lên giá của góc kế quang học và hiệu chỉnh sao cho mặt

phẳng của đèn nằm ngang và tâm của nguồn sáng trùng với trục của gương quay Điều chỉnh vị trí của đèn sao cho pháp tuyến của mặt đèn trùng với trục quay theo phương thẳng đứng của giá đèn Thao tác này có thể được thực hiện bằng cách vừa điều chỉnh vừa xoay đèn sao cho giá trị dòng quang điện không thay đổi là được

Bước 2: Đặt và cố định gương ở vị trí ban đầu ứng với góc 50, xoay đèn xung quanh trục thẳng đứng của nó theo đủ một vòng tròn với bước thay đổi là 100 (nghĩa

là ta sẽ thu được 36 giá trị cường độ sáng trong một vòng quay của đèn ứng với một

vị trí của gương) Ghi các giá trị cường độ sáng ứng với mỗi góc quay của đèn

Bước 3: Đặt gương ở vị trí 150, 250, 350, 450, 550, 650, 750, 850, 950 (nghĩa là ta

đã chọn Δα = 100) và thực hiện các phép đo như bước 2

Bước 4: Tính quang thông của một vùng theo công thức [8]

∆Ф = Itb ∆Ω(2.2) Trong đó: ΔФ là quang thông vùng ứng với mỗi góc nghiêng của gương, Itb là cường độ sáng trung bình của 36 giá trị cường độ sáng khi quay đèn xung quanh trục của nó, ΔΩ là giá trị quang thông vùng đã được dẫn ra theo mục 2.1.3.1

Bước 5: Tính tổng quang thông của bộ đèn bằng cách lấy tổng giá trị quang thông

của các vùng trong trường sáng của đèn

2.2.1.2 Các kết quả thực nghiệm thu được

E=I/r²

- Với + r= 5.6m

+ E0 lux tại góc 90º đối với mặt phẳng đứng

- Cường độ sáng thực tại góc 90º đối với mặt phẳng đứng: