Thiết kế hệ thống đèn đọc phim Xquang

Bên cạnh đó các bệnh viện, phòng khám vẫn còn sử dụng một số đèn đọc phim X-quang sử dụng bóng đèn huỳnh quang cho ánh sáng vàng, phải lắp nhiều đèn bên trong, công suất tiêu thụ điện nă

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-HOÀNG ĐÌNH TRƯỜNG

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐÈN ĐỌC PHIM X-QUANG

Chuyên ngành : Kỹ thuật y sinh

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa hề được sử dụng để bảo vệ một học vị nào Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc rõ ràng và được phép công bố

Hà Nội, tháng 3 năm 2019 Học viên thực hiện

Hoàng Đình Trường

LỜI CẢM ƠN

Để có thể hoàn thành đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh, bên cạnh

sự nỗ lực cố gắng của bản thân còn có sự hướng dẫn nhiệt tình của quý Thầy Cô, cũng như sự động viên ủng hộ của gia đình, bạn bè trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn thạc sĩ

Xin chân thành bày tỏ long biết ơn đến Thầy TS Trần Anh Vũ người đã hết lòng giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành luận văn này Xin chân thành bày tỏ lòng biết hơn đến toàn thể quý thầy cô trong Bộ môn Kỹ thuật y sinh và Viện đào tạo sau đại học Đại học bách khoa Hà Nội – Trường Đại học bách khoa Hà Nội đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập nghiên cứu và cho đến khi thực hiện đề tài luận văn

Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến Viện Y học Phòng không – Không quân, Công ty TNHH Công nghệ Ứng dụng Bách Khoa đã không ngừng hỗ trợ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện luận văn

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn đến gia đình, các anh chị và các bạn đồng nghiệp đã hỗ trợ cho tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh

Hà Nội, tháng 3 năm 2019 Học viên thực hiện

Hoàng Đình Trường

MỤC LỤC

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC BẢNG 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 7

PHẦN MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 11

1.1 Khái niệm đèn đọc phim Xquang 11

1.2 Phân loại đèn đọc phim Xquang 11

1.2.1 Cấu tạo của đèn đọc phim sử dụng đèn ống huỳnh quang chiếu sáng 12 1.2.2 Cấu tạo của đèn đọc phim X-quang dùng tuýp led 13

1.2.3 Cấu tạo của đèn đọc phim X-quang sử dụng led thanh chiếu sáng 14

1.3 So sánh ưu, nhược điểm của các loại đèn đọc phim 17

1.4 Kết luận chương 17

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 18

2.1 Lý thuyết về cường độ ánh sáng 18

2.1.1 Định nghĩa ánh sáng 18

2.1.2 Các đại lượng cơ bản của ánh sáng 19

2.2 Bộ điều chỉnh cường độ sáng cho đèn Led 25

2.2.1 Giới thiệu bộ điều chỉnh cường độ ánh sáng 25

2.2.2 Các phương pháp điều chỉnh cường độ sáng cho Led 26

2.2.2.1 Phương pháp số 26

2.3 Nguyên lý mạch biến đổi giảm áp DC-DC (Buck Converter) 28

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ ĐÈN ĐỌC PHIM X-QUANG 30

3.1 Xác định đặc tính kỹ thuật của đèn 30

3.1.1 Yêu cầu chức năng của đèn 30

3.1.2 Yêu cầu phi chức năng của đèn 30

Ngoài các yêu cầu chức năng trên, thì các yêu cầu phi chức năng cũng không kém phần quan trọng: 30

3.2 Sơ đồ khối của đèn đọc phim X-quang 30

3.2.1 Khối nguồn của đèn đọc phim 31

3.2.2 Khối Điều Khiển 32

3.2.3 Khối Led 38

3.2.4 Khối hiển thị 43

3.2.5 Khối kiểm tra 43

3.3 Thiết kế chi tiết của đèn đọc phim X-quang 52

3.3.1 Tính toán góc chiếu thực tế của đèn Led 52

3.3.2 Thiết kế đèn đọc phim X-quang 1 phim 53

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 59

4.1 Kết quả đã đạt được 59

4.1.1 Đèn đọc phim X-quang 1 ngăn 59

4.1.2 Đèn đọc phim X-quang thực tế (1 ngăn) 60

4.2 Đánh giá kết quả thực hiện 68

4.2.1 Những ưu điểm của thiết kế 68

4.2.2 Những hạn chế của thiết kế 68

4.3 Hướng phát triển trong tương lai 68

KẾT LUẬN 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

rộng xung

W x H x D (Width) x (Height) x (Depth) (Chiều rộng) x (chiều

cao) x (chiều sâu)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Phân loại đèn đọc phim dựa vào kích thước 15

Bảng 1.2 So sánh ưu, nhược điểm của các loại đèn đọc phim 16

Bảng 2.1 Bảng cường độ sáng của một số nguồn sáng tiêu biểu 19

Bảng 2.2 Bảng quang thông của một số nguồn sáng 19

Bảng 2.3 Bảng độ chói của một số nguồn sáng 21

Bảng 2.4 Bảng độ rọi của một số nguồn sáng 22

Bảng 2.5 Bảng nhiệt độ màu của một số nguồn sáng 22

Bảng 3.1 Chức năng các chân XL4016 33

Bảng 3.2 So sánh chip led SMD 5050 và SMD 2835 40

Bảng3.3 So sánh chip led SMD 5730 và SMD 7020 41

Bảng 3.4 Phân bố cường độ ánh sáng trên mặt đèn ở phương pháp 1 53

Bảng 3.5 Phân bố cường độ ánh sáng trên mặt đèn ở phương pháp 2 55

Bảng 3.6 Phân bố cường độ ánh sáng trên mặt đèn ở phương pháp 3 56

Bảng 4.1 Phân bố cường độ ánh sáng trên mặt đèn khi đạt công suất tối đa 62

Bảng 4.2 Phân bố cường độ ánh sáng trên mặt đèn khi đạt 2/3 công suất tối đa 63

Bảng 4.3 Phân bố cường độ ánh sáng trên mặt đèn khi đạt 1/3 công suất tối đa 64

Bảng 4.4 Phân bố cường độ ánh sáng trên bề mặt của đèn TNE 66

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Đèn đọc phim X-quang 12

Hình 1.2 Đèn đọc phim dùng đèn ống huỳnh quang 14

Hình 1.3 Cấu tạo đèn tuýp Led 14

Hình 1.4 Đèn đọc phim sử dụng Led Thanh 16

Hình 1.5 Phân loại đèn đọc phim dựa theo kích thước 17

Hình 2.1 Góc chùm ánh sáng 19

Hình 2.2 Các đại lượng cơ bản của ánh sáng 20

Hình 2.3 Độ chói của một nguồn sáng 22

Hình 2.4 Công thức tính độ rọi 23

Hình 2.5 PWM Dimming 27

Hình 2.6 Analog Dimming 28

Hình 2.7 So sánh hiệu suất của hai phương pháp 28

Hình 2.8 Nguyên lý hoạt động của mạch Buck Converter 29

Hình 3.1 Sơ đồ khối của đèn đọc phim 32

Hình 3.2 Khối nguồn 12V-10A 33

Hình 3.3 IC XL4016 34

Hình 3.4 Sơ đồ chân XL4016 35

Hình 3.5 Sơ đồ khối chức năng XL4016 36

Hình 3.6 Mạch ứng dụng XL4016 điển hình (VIN = 8V ~ 40V, VOUT = 5V / 8A) .36 Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý Led Driver 37

Hình 3.8 Module buck DC – DC XL4016 38

Hình 3.9 Chip Led SMD 39

Hình 3.10 Led thanh SMD 5050 41

Hình 3.11 Led thanh SMD 2835 ……… … ………41

Hình 3.12 Led thanh SMD 5730 41

Hình 3.13 Led thanh SMD 7020……….41

Hình 3.14 Mica màu trắng sữa làm mặt đèn 44

Hình 3.15 Module cảm biến BH1750 45

Hình 3.16 Sơ đồ nguyên lý Module cảm biến BH1750 46

Hình 3.17 Kết nối I2C cùng các thiết bị 47

Hình 3.18 Các thiết bị kết nối với bus I2C 48

Hình 3.19 Thiết bị chủ (Master) và tớ (Slave) 49

Hình 3.20 Đường truyền nhận dữ liệu của Master - Slave 51

Hình 3.21 Sơ đồ đấu nối 2 module 52

Hình 3.22 Mạch đo cường độ ánh sáng sử dụng sensor BH1750 52

Hình 3.23 Tính toán góc chiếu của đèn led 53

Hình 3.24 Tính góc mở của đèn và số lượng đèn cần thiết 54

Hình 3.25 Phương pháp 1: Sử dụng các thanh led đơn 55

Hình 3.26 Phương pháp 2: Sử dụng 2 thanh led đơn ghép với nhau 56

Hình 3.27 Phương pháp 3: Sử dụng 2 thanh led đơn xen kẽ với 1 led đơn 57

Hình 3.28 Thiết kế hộp đèn X-quang 59

Hình 4.1 Đèn đọc phim X-quang 1 ngăn 60

Hình 4.2 Đèn đọc phim X-quang 1 ngăn 61

Hình 4.3 Cấu tạo bên trong Đèn 62

Hình 4.4 Sơ đồ đi dây bên trong Đèn 62

Hình 4.5 Mặt sau của Đèn 63

Hình 4.6 Đo cường độ ánh sáng của đèn khi ở công suất tối đa 64

Hình 4.7 Đo cường độ ánh sáng của đèn khi ở 2/3 công suất tối đa 65

Hình 4.8 Đo cường độ ánh sáng của đèn khi ở 1/3 công suất tối đa 66

Hình 4.9 Đèn đọc phim 1 cửa của hãng sản xuất TNE tại Việt Nam 67

Hình 4.10 Tấm mica dẫn sáng 70

Hình 4.11 Sử dụng thử nghiệm đèn đọc phim tại phòng khám nội, 71

Hình 4.12 Đánh giá sản phẩm của bác sĩ Khoa CĐHA 72

Hình 4.13 Đánh giá sản phẩm của bác sĩ Khoa A2 73

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài:

Hầu hết các trang thiết bị y tế trong các Bệnh viện, phòng khám nói chung vàđèn đọc phim X-quang nói riêng đều được phân phối bởi các hãng sản xuất nước ngoài với giá thành cao Bên cạnh đó các bệnh viện, phòng khám vẫn còn sử dụng một số đèn đọc phim X-quang sử dụng bóng đèn huỳnh quang cho ánh sáng vàng, phải lắp nhiều đèn bên trong, công suất tiêu thụ điện năng cao và không an toàn vì

sử dụng bộ chấn lưu (Ballast) lắp bên trong hộp đèn dễ gây chạm điện và cháy nổ Một số đèn đọc Xquang cũng được sử dụng công nghệ LED nhưng chất lượng ánh sáng trên bề mặt không đồng đều Vì vậy, Nghiên cứu, thiết kế một chiếc đèn đọc phim X-quang để hỗ trợ người bác sĩ trong công tác chẩn đoán bệnh trên các phim chụp X quang, CT, MRI là một đề tài rất thực tiễn và phù hợp với tình hình chung hiện nay

2 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

2.1 Mục đích nghiên cứu của luận văn:

- Hệ thống hóa lý thuyết của hệ thống đèn đọc phim X-quang

- Làm rõ thực trạng sử dụng đèn đọc phim tại các cơ sở y tế và các ưu khuyết điểm của nó

- Đề xuất một phương án thiết kế đèn đọc phim X-quang

2.2 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu:

- Hệ thống đèn đọc phim X-quang đang được sử dụng chủ yếu tại các cơ sở y tế

- Làm rõ các điểm tồn tại của các hệ thống đang được sử dụng và nguyên nhâncác điểm tồn tại

- Trên cơ sở các điểm tồn tại đó đề xuất các giải pháp phù hợp để khắc phục các hạn chế trên hướng mục tiêu của đề tài là thiết kế một đèn đọc phim X-quang

3 Tóm tắt cô đọng các nội dung chính và đóng góp mới của tác giả

- Đã khái quát được thực trạng sử dụng đèn đọc phim X-quang và các ưu khuyết điểm của nó trong quá trình sử dụng

- Đã nghiên cứu thiết kế được đèn đọc phim X-quang và giải quyết được cơ bản các mục tiêu đề ra

- Sản phẩm được thiết kế đã khắc phục được hạn chế về độ đồng đều ánh sáng trên bề mặt, giá thành không rẻ hơn so với các sản phẩm có chất lượng tương đươngtrên thị trường.

4 Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp nghiên cứu chủ yếu được sử dụng trong luận văn này bao gồm: Phương pháp phân tích tổng hợp, phương pháp so sánh, phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, phương pháp thống kê… Việc sử dụng các phương pháp này nhằm làm rõ các vấn đề cần nghiên cứu và đạt được mục tiêu của Luận văn

5 Kết luận

Ở trong luận văn này, tôi tập trung nghiên cứu, thiết kế một chiếc đèn đọc phim một cửa (đọc 1 phim) sử dụng đèn Led có kích thước mỏng, gọn nhẹ, có sự phân bố cường độ ánh sáng đồng đều trên bề mặt và có thể hoạt động ổn định khi tăng hay giảm độ sáng của đèn Để làm được điều này tôi đã thiết kế một bộ Led Driver sử dụng Module buck DC-DC converter của IC XL4016 có chức năng ổn định dòng điện đầu ra cung cấp cho đèn Led Kết quả đạt được là đèn có sự phân bốcường độ ánh sáng khá đồng đều trên bề mặt và có thể điều chỉnh được độ sáng ổn định từ 0 – 5500 lux, phù hợp với bác sĩ trong công tác chẩn đoán bệnh Sản phẩm

có thiết kế khá gọn gàng, chỉ dày 5cm so với nhiều loại đèn khác đang được sử dụng trên thị trường là 8cm, được làm bằng Inox chắc chắn, có thể dễ dàng lắp đặt

và di chuyển

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI1.1 Khái niệm đèn đọc phim Xquang

Đèn đọc phim Xquang là một thiết bị y tế dùng để hỗ trợ quan sát các tấm phim X quang, MRI, CT nhằm hỗ trợ bác sĩ trong việc chẩn đoán bệnh và theo dõi kết quả chữa bệnh Đèn đọc phim Xquang có kích thước đa dạng nhưng có một số hình mẫu dựa trên cấu tạo gồm một hình hộp, mặt trước là một tấm mica trắng đục mịn, bên trong có lắp đèn cho ánh sáng toả đồng đều Đặt tấm phim X quang, MRI hay CT gài sát lên mặt kính, bật đèn sáng, sẽ thấy rõ các chi tiết hình ảnh cơ quan, phủ tạng có liên quan đã ghi được trên phim

Hình 1.1 Đèn đọc phim X-quang

1.2 Phân loại đèn đọc phim Xquang

Hiện nay có rất nhiều loại đèn đọc phim X-quang trên thị trường Tuy nhiên trong phần này ta phân loại dựa theo công nghệ chế tạo đèn đọc phim X-quang được chia làm 3 loại chính sau:

 Đèn đọc phim dùng đèn ống huỳnh quang chiếu sáng (bóng tuýp)

 Đèn đọc phim dùng đèn Led thanh chiếu sáng

 Đèn đọc phim dùng đèn tuýp Led chiếu sáng

Mục đích chính của đèn đọc phim X-quang là việc hỗ trợ để các bác sĩ quan sát các tấm phim, vì thế bộ phận quan trọng nhất không thể thiếu là nguồn sáng, nguồn sáng này tùy thuộc vào mỗi loại đèn mà sử dụng các loại nguồn chiếu sáng khác nhau Để các nguồn sáng có thể hoạt động được ta cần phải cung cấp một điện áp đầu vào tương ứng 220v, 12v, 24v,… có công suất phù hợp với các loại bóng Tấm mica sẽ hứng ánh sáng từ nguồn sáng Ngoài ra mỗi loại đèn đọc phim khác nhau sẽ

có một số cấu tạo khác nhau được nêu qua các phần dưới đây

1.2.1 Cấu tạo của đèn đọc phim sử dụng đèn ống huỳnh quang chiếu sáng

Đèn đọc phim sử dụng đèn ống huỳnh quang chiếu sáng là loại đèn được sử dụng phổ biến trong các cơ sở y tế trước đây Đèn có cấu tạo khá đơn giản: Đèn sử dụng nguồn điện là nguồn 220v trực tiếp từ điện lưới, các đèn ống huỳnh quang mắc song song được đấu nối trực tiếp với cầu chì, starter và chấn lưu điện tử như hình 1.2 dưới đây:

(a) Hình ảnh bên ngoài đèn

(b) Hình ảnh bên trong đèn

Hình 1.2 Đèn đọc phim dùng đèn ống huỳnh quang

1.2.2 Cấu tạo của đèn đọc phim X-quang dùng tuýp led

Đèn đọc phim X-quang dùng tuýp Led chiếu sáng có cấu tạo tương tự như một đèn đọc phim sử dụng đèn ống huỳnh quang chiếu sáng, tuy nhiên ở đây người

ta dùng đèn tuýp Led thay thế cho các đèn ống huỳnh quang

Hình 1.3 Cấu tạo đèn tuýp Led

Đèn tuýp led là loại đèn được ứng dụng công nghệ led mới nhất thay cho cácbóng truyền thống

Đèn tuýp led mang lại khá nhiều ưu điểm:

 Tiết kiệm điện năng

 Chip led được xem là con tim của bóng đèn led, là nơi phát ra ánh sáng

 Phần mạch gắn chip led: Đây là bộ phận làm nhiệm vụ dẫn điện đến cho chipled Ngoài ra còn giúp truyền dẫn nhiệt đến vỏ nhôm, để tản ra ngoài làm cho đèn bớt nóng

 Phần vỏ: Gồm 2 bộ phận là vỏ nhựa tản quang phía trên và vỏ nhôm phía dưới: Vỏ nhôm được thiết kế bên dưới, có tác dụng làm giá đỡ cho đèn và các linh kiện, là bộ phận tản nhiệt tốt nhất cho chip LED Vỏ nhựa tán quang: là lớp vỏ làm bằng nhựa PC xuyên sáng, đây là loại nhựa có thể chịu được nhiệt độ cao (≈137ºC),cách điện và chống cháy rất tốt Đây là bộ phận quan trọng bảo vệ các linh kiện bên trong, đồng thời quản lý nguồn sáng đi qua tốt, phân bố ánh sáng đồng đều giúp người dùng chống chói tốt và tạo tính thẩm mỹ cho bóng đèn

 Phần nguồn: Là bộ phận cũng rất cũng quan trọng, nhờ phần nguồn mà dòng điện xoay chiều 220V được biến đổi thành nguồn 1 chiều có điện áp ổn định giúp đèn hoạt động tốt, bền bỉ hơn

1.2.3 Cấu tạo của đèn đọc phim X-quang sử dụng led thanh chiếu sáng

Bên trong của đèn gồm có các dãy Led thanh mắc song song với nhau và một bộđiều khiển led có chức năng điều khiển và ổn định cường độ ánh sáng của đèn Bên ngoài có một chiết áp vặn được nối với bộ điều khiển led giúp thay đổi cường độ sáng của đèn

(a) Hình ảnh bên ngoài đèn

(b) Hình ảnh bên trong đèn

Hình 1.4 Đèn đọc phim sử dụng Led Thanh

Để phục vụ nhu cầu của các y bác sĩ, nhân viên y tế trong công tác chẩn đoánbệnh, trong nhiều trường hợp cần so sánh, đối chiếu nhiều mẫu phim cùng lúc thì mỗi loại lại được thiết kế với các kích thước khác nhau:

Bảng 1.1 Phân loại đèn đọc phim dựa vào kích thước

Hình 1.5 Phân loại đèn đọc phim dựa theo kích thước

1.3 So sánh ưu, nhược điểm của các loại đèn đọc phim

Đèn đọc phim dùng đèn ống huỳnh

quang

Đèn đọc phim sử dụng led

 Chi phí rẻ,

 Thiết kế to, dày, cồng kềnh

 Tuổi thọ của đèn ngắn: khoảng

hơn 20.000 giờ

 Cần có thời gian khởi động đèn

 Hầu như chỉ sản xuất ra một

loại ánh sang xanh lạnh/trắng

 Tiêu thụ điện năng lớn hơn

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT2.1 Lý thuyết về cường độ ánh sáng

2.1.1 Định nghĩa ánh sáng

Ánh sáng là các bức xạ điện từ có bước sóng nằm trong vùng quang phổ nhìnthấy được bằng mắt thường của con người (tức là từ khoảng 380 nm đến 700 nm) Giống như mọi bức xạ điện từ, ánh sáng có thể được mô tả như những đợt sóng hạt chuyển động gọi là photon Ánh sáng do Mặt Trời tạo ra còn được gọi là ánh nắng (hay còn gọi là ánh sáng trắng bao gồm nhiều ánh sáng đơn sắc biến thiên liên tục từ đỏ đến tím), ánh sáng Mặt Trăng mà con người thấy được gọi là ánh

trăng thực tế là ánh sáng do mặt trời chiếu tới Mặt Trăng phản xạ đi tới mắt người,

do đèn tạo ra còn được gọi là ánh đèn, do các loài vật phát ra gọi là ánh sáng sinh học

Góc chùm ánh sáng (beam angle) là thuật ngữ chỉ góc của ánh sáng từ nguồnchiếu sáng tới vùng đích Góc chùm ánh sáng đề cập đến bất kỳ ánh sáng nào nằm trong phạm vi 50% cường độ cực đại của nguồn sáng Ánh sáng bên ngoài góc này được gọi là ánh sáng tràn, kéo dài cho đến khi ánh sáng đã giảm đến 10% cường độ tối đa

Hình 2.6 Góc chùm ánh sáng

2.1.2 Các đại lượng cơ bản của ánh sáng

Hình 2.7 Các đại lượng cơ bản của ánh sáng

 Cường độ sáng: cường độ sáng là đại lượng quang học cơ bản dùng trong

việc đo thông số nguồn sáng, là một trong 7 đơn vị cơ bản của hệ thống đo lường quốc tế SI (System International), 7 đơn vị đo lường cơ bản: m (mét), kg (kilogam),

s (giây), A (Ampe), K (kelvin), mol, cd (candela)

Cường độ sáng là năng lượng phát ra 1 nguồn ánh sáng trong 1 hướng cụ thể

và được tính như sau: 1 candela là cường độ mà một nguồn sáng phát ra 1 lumen đẳng hướng trong một góc đặc Một nguồn sáng 1 candela sẽ phát ra 1 lumen trên một diện tích 1m2 tại một khoảng cách một mét kể từ tâm nguồn sáng Có thể thấy cường độ nguồn sáng giảm theo khoảng cách kể từ nguồn sáng 1cd = 1lm/

1steradian Một ngọn nến thông thường phát ra ánh sáng với cường độ 1 candela Nếu môi trường xung quanh bị chắn bởi màn thì nguồn sáng vẫn có cường độ 1 candela trong các hướng còn lại Để biểu diễn sự phân bố cường độ sáng trong

không gian, người ta thường sử dụng hệ tọa độ cực Trong đó gốc là nguồn sáng, đầu mút là các vector cường độ sáng.

Ký hiệu : I (Viết tắt của tiếng Anh là Intensity : cường độ)

Đơn vị : Cd (candela)

CƯỜNG ĐỘ ÁNH SÁNG CỦA MỘT SỐ NGUỒN SÁNG Nguồn sáng Cường độ ánh sáng (cd)

Đèn sợi đốt 300W có bộ phản quang 1.500 cd ở tâm chùm tia

Đèn halogen 2000W có bộ phản quang 14.800 cd theo mọi phương

250.000 cd ở tâm chùm tia

Bảng 2.3 Bảng cường độ sáng của một số nguồn sáng tiêu biểu

 Quang thông: Quang thông là đại lượng trắc quang cho biết công suất bức

xạ của chùm ánh sáng phát ra từ một nguồn phát sáng điểm Đơn vị của quang thông trong các hệ đơn vị SI là lm (lumen), Quang thông (F) là đại lượng đo công suất phát sáng của 1 nguồn sáng Ngoài ra còn có các đại lượng khác như cường độ sáng ( ký hiệu I), đơn vị là candela (cd); độ rọi (E), đơn vị lux (lx)

Bảng 2.4 Bảng quang thông của một số nguồn sáng

 Độ chói (L) : Khi ta nhìn vào một nguồn sáng hoặc một vật được chiếu sáng

ta có cảm giác bị chói mắt Để đặc trưng cho khả năng bức xạ ánh sáng của nguồn hoặc bề mặt phản xạ gây nên cảm giác chói sáng đối với mắt, người ta đưa ra định nghĩa độ chói Các nguyên tố diện tích của các vật được chiếu sáng nói chung phản

xạ ánh sáng nhận được một cách khác nhau và tác động như một nguồn sáng thứ cấp phát các cường độ sáng khác nhau theo mọi hướng

Để đặc trưng cho các quan hệ của nguồn sáng (nguồn sơ cấp và nguồn thứ cấp) đối với mắt cần phải bổ sung vào cường độ sáng cách xuất hiện ánh sáng.

Quan hệ này có thể được minh họa bằng nhận xét sau đây: ví dụ một đèn sợi đốt 40 W thực tế phát ra cùng một quang thông, nghĩa là cùng một cường độ theo mọi hướng dù bóng đèn bằng thủy tinh trong hay thủy tinh mờ Tuy nhiên đối với mắt ta cảm thấy chói hơn khi bóng đèn bằng thủy tinh trong so với bóng thuỷ tinh

mờ

Độ chói L của ánh sáng là cường độ của một nguồn sáng phát ánh sáng khuếch tán mở rộng hoặc của một vật phản xạ ánh sáng Độ chói là đại lượng đặc trưng cho mật độ phân bố cường độ sáng I trên một bề mặt diện tích S theo một phương cho trước 1nit = 1cd/ 1m2

Hình 2.8 Độ chói của một nguồn sáng

Ta nhận thấy độ chói của một bề mặt bức xạ phụ thuộc vào hướng quan sát

mà không phụ thuộc vào khoảng cách từ nguồn đến điểm quan sát

Độ chói đóng vai trò cơ bản trong kỹ thuật chiếu sáng, nó là cơ sở của các khái niệm về tri giác và tiện nghi thị giác Độ chói mới phản ánh chất lượng chiếu sáng, còn độ rọi chỉ phản ánh số lượng chiếu sáng mà thôi

Ký hiệu: L

Đơn vị: Cd/m2

1Cd/m2 được định nghĩa là độ chói của một mặt phẳng phát sáng đều có diệntích 1m2 và có cường độ sáng 1Cd theo phương vuông góc với nguồn đó.

Bảng 2.5 Bảng độ chói của một số nguồn sáng

 Độ rọi: Độ rọi là đại lượng đặc trưng cho bề mặt được chiếu sáng, là mật độ

quang thông trên bề mặt có diện tích S Có nghĩa là mật độ quang thông của một nguồn sáng 1 lumen trên diện tích 1m2 Khi mặt được chiếu sáng không đều độ rọi được tính bằng trung bình đại số của độ rọi các điểm

Ký hiệu: E

Đơn vị: Lux hay Lx

Hình 2.9 Công thức tính độ rọi

Địa điểm được chiếu sáng Độ rọi (lux)

Bảng 2.6 Bảng độ rọi của một số nguồn sáng

 Nhiệt độ màu (K):Nhiệt độ màu của một nguồn sáng được thể hiện theo

thang

Kelvin (K) là biểu hiện màu sắc của ánh sáng do nó phát ra Tưởng tượng một thanhsắt khi nguội có màu đen, khi nung đều đến khi nó rực lên ánh sáng da cam, tiếp tụcnung nó sẽ có màu vàng, và tiếp tục nung cho đến khi nó trở nên “nóng trắng” Tại bất kỳ thời điểm nào trong quá trình nung, chúng ta có thể đo được nhiệt độ của thanh thép theo độ Kelvin (0oC ứng với 273,15K) và gán giá trị đó với màu được tạo ra

Đối với đèn sợi đốt, nhiệt độ màu chính là nhiệt độ bản thân nó Đối với đèn huỳnh quang, đèn phóng điện (nói chung là các loại đèn không dùng sợi đốt) thì nhiệt độ màu chỉ là tượng trưng bằng cách so sánh với nhiệt độ tương ứng của vật đen tuyệt đối bị nung nóng Khi nói đến nhiệt độ màu của đèn là người ta có ngay cảm giác đó là nguồn sáng “ấm”, “trung tính” hay là “mát” Nói chung, nhiệt độ càng thấp thì nguồn càng ấm, và ngược lại

Bảng 2.7 Bảng nhiệt độ màu của một số nguồn sáng

 Công suất bóng đèn: lượng điện năng tiêu thụ của đèn.

Ví dụ: Bóng đèn huỳnh quang T8 1,2m có công suất 36W, tổn hao 10% nên tổng công suất là 40W Như vậy trong 24h lượng điện năng tiêu thụ là: 960W ~ 1kW (người ta hay gọi là 1 ký điện).

Năng lượng điện cung cấp cho nguồn sáng không phải biến đổi hoàn toàn thành ánh sáng mà biến đổi thành nhiều dạng năng lượng khác nhau như hóa năng, bức xạ nhiệt, bức xạ điện từ Các bức xạ ánh sáng chỉ là một phần của bức xạ điện

từ do nguồn phát ra

Đơn vị: Watt(W)

 Đặc điểm và cường độ chiêu sáng của đèn led

Cường độ lượng nhiệt sinh ra trong quá trình chiếu sáng của đèn led không đáng kể,chính vì vậy chúng không gây tăng nhiệt độ cho môi trường xung quanh và đây là yếu tố quan trọng giúp đèn led tiết kiệm điện tối đa nhất

Hiện nay đèn led cao áp không gây ra các tia hồng ngoại hay tia cực tím Với các ưu điểm thuyết phục người sử dụng đến vậy chính vì thế đèn led chiếu sángđang là sự lựa chọn của gia đình và công trình

Các loại đèn huỳnh quang hay đèn sợi đốt thì sự va chạm nhẹ hay mạnh đều làm ảnh hưởng tới dây tóc của bóng đèn, thậm chí là chúng ta không có bất kỳ sự tác động nào cũng cần cũng làm ảnh hưởng tới Làm giảm quá trình và tuổi thọ của bóng đèn sợi đốt một cách nhanh chóng

Nhưng đối với đèn led thì bạn hoàn toàn yên tâm, ánh sáng được phát ra từ các con chip và đặc biệt bên ngoài các mắt đèn được bảo vệ một lớp kính cường lựcgiúp đèn chống chịu mọi tác động từ bên ngoài môi trường

Đèn led chiếu sáng, không hề xảy ra tình trạng phải chờ đợi đèn nhấp nháy, sau đó mới phát sáng khi được cung cấp nguồn điện Hoàn toàn không chứa các chất thủy ngân và gây hại, đảm bảo độ an toàn tuyệt đối

Màu sắc của ánh sáng led phát ra phụ thuộc vào chất liệu, ví dụ như ánh sángđèn led màu đỏ được phát ra nhờ vào các chất liệu như nhôm, axen, gali.Đặc điểm

và cường độ chiêu sáng của đèn led

Cường độ lượng nhiệt sinh ra trong quá trình chiếu sáng của đèn led không đáng kể,chính vì vậy chúng không gây tăng nhiệt độ cho môi trường xung quanh và đây là yếu tố quan trọng giúp đèn led tiết kiệm điện tối đa nhất

Hiện nay đèn led cao áp không gây ra các tia hồng ngoại hay tia cực tím Với các ưu điểm thuyết phục người sử dụng đến vậy chính vì thế đèn led chiếu sángđang là sự lựa chọn của gia đình và công trình.

Các loại đèn huỳnh quang hay đèn sợi đốt thì sự va chạm nhẹ hay mạnh đều làm ảnh hưởng tới dây tóc của bóng đèn, thậm chí là chúng ta không có bất kỳ sự tác động nào cũng cần cũng làm ảnh hưởng tới Làm giảm quá trình và tuổi thọ của bóng đèn sợi đốt một cách nhanh chóng

Nhưng đối với đèn led thì bạn hoàn toàn yên tâm, ánh sáng được phát ra từ các con chip và đặc biệt bên ngoài các mắt đèn được bảo vệ một lớp kính cường lựcgiúp đèn chống chịu mọi tác động từ bên ngoài môi trường

Đèn led chiếu sáng, không hề xảy ra tình trạng phải chờ đợi đèn nhấp nháy, sau đó mới phát sáng khi được cung cấp nguồn điện Hoàn toàn không chứa các chất thủy ngân và gây hại, đảm bảo độ an toàn tuyệt đối

Màu sắc của ánh sáng led phát ra phụ thuộc vào chất liệu, ví dụ như ánh sángđèn led màu đỏ được phát ra nhờ vào các chất liệu như nhôm, axen, gali

2.2 Bộ điều chỉnh cường độ sáng cho đèn Led

2.2.1 Giới thiệu bộ điều chỉnh cường độ ánh sáng

Bộ điều chỉnh cường độ sáng là thiết bị có khả năng làm thay đổi độ sáng của đèn led một cách linh hoạt dựa vào nguyên tắc ổn định dòng điện cung cấp cho led Do chip led là một loại Đi-ốt phát sáng, nó hoạt động với dòng điện một chiều

có cường độ trong một khoảng nhất định, vì vậy nếu bộ điều khiển không ổn định, dòng qua led không ổn định có thể làm cho led bị nhấp nháy, điều này làm giảm tuổi thọ của đèn cơ chế hoạt động của bộ điều chỉnh cường độ sáng tương tự như các hộp số điều khiển quạt gắn tường thông thường, điều khiển độ sáng của đèn thông qua việc thay đổi điện trở từ đó thay đổi điện áp đầu ra để kiểm soát độ sáng của đèn

Với yêu cầu thiết kế đèn đọc phim sử dụng led và có thể thay đổi được cường độ chiếu sáng Đồng thời, để đèn Led hoạt động tốt, không ảnh hưởng tới tuổi thọ cũng như chất lượng ánh sáng của đèn thì việc thiết kế một bộ điều khiển

cung cấp dòng điện ổn định cho đèn led và có chức năng điều chỉnh được cường độ sáng cho đèn là hết sức quan trọng.

2.2.2 Các phương pháp điều chỉnh cường độ sáng cho Led

2.2.2.1 Phương pháp số

Điều chỉnh cường độ sáng cho led bằng phương pháp số (PWM Dimming) làphương pháp sử dụng một chuỗi xung điều chế để đóng cắt dòng điện, dòng điện qua đèn Led được đóng cắt liên tục, dòng qua Led mở khi tín hiệu xung điều chế ở mức cao và tắt khi tín hiệu xung điều chế ở mức thấp Việc đóng cắt liên tục như vậy với tần số lớn hơn tần số mà mắt người có thể phát hiện ra được khiến ta cảm thấy cường độ ánh sáng của đèn thay đổi dựa vào việc thay đổi chu kì đóng cắt của chuỗi xung điều chế Khi sử dụng phương pháp này để điều chỉnh độ sáng cho đèn Led thì nhược điểm là làm giảm tuổi thọ của đèn do phải bật tắt liên tục

Hình 2.10 PWM Dimming

2.2.2.2 Phương pháp tương tự

Điều chỉnh cường độ sáng cho led bằng phương pháp tương tự (Analog Dimming) là phương pháp điều chỉnh từng mức dòng của đèn Led Điều này có thể được thực hiện bằng việc sử dụng điện trở điều chỉnh hoặc điện áp một chiều điều khiển từ bên ngoài Vì vậy phương pháp này có thể khắc phục được nhược điểm của

phương pháp số là đèn Led không phải đóng cắt liên tục và mang lại hiệu suất cao hơn.

Hình 2.11 Analog Dimming

2.2.2.3 So sánh hiệu suất của hai phương pháp

Hiệu suất điều chỉnh cường độ sáng của cả 2 phương pháp trên toàn bộ phạm vi dòng đầu ra của Led được thể hiện qua hình vẽ sau:

Hình 2.12 So sánh hiệu suất của hai phương pháp

Ta thấy được phương pháp số (PWM Dimming) có hiệu suất thấp tại cường

độ ánh sáng yếu còn phương pháp tương tự (Analog Dimming) luôn đạt hiệu quả cao trên toàn bộ phạm vi dòng của Led Vì vậy, để đảm bảo cho tuổi thọ của đèn

được bền lâu cũng như hiệu suất sử dụng cao ta sử dụng phương pháp tương tự (Analog Dimming) cho đèn Led.

2.3 Nguyên lý mạch biến đổi giảm áp DC-DC (Buck Converter)

Hình 2.13 Nguyên lý hoạt động của mạch Buck Converter

Buck Converter là bộ biến đổi mà điện áp đầu ra nhỏ hơn điện áp đầu vào

hay còn gọi là bộ biến đổi giảm áp (step-down converter) Hình 2.8 là sơ đồ nguyên

lý của mạch buck converter, Mosfet hoạt động như một công tắc (van) nó đóng cắt bằng xung điều khiển (xung vuông) với một bộ điều khiển tạo ra xung điều khiển cótần số đóng cắt lớn cấp cho mosfet

Gọi Ts là một chu kì chuyển mạch (như trên hình 2.8 ), t1 là thời gian van

đóng mạch (on-time) và t2 là thời gian van mở mạch (off-time) Ts = t1 + t2 Hệ số t1/Ts (giữa thời gian đóng mạch (on-time) và chu kì chuyển mạch Ts) được gọi là chu kì nhiệm vụ (duty cycle)

- Trong khi on-time của van thì điện áp V1 bằng Vin, Điot D sẽ bị phân cực ngược và khóa lại, khi đó cuộn cảm sẽ được nạp năng lượng Hình thứ 2 ở trên mô

tả hoạt động của mạch ở chế độ ON, dòng ở nguồn cấp lúc này nuôi cả tải và sạc cho tụ Co I(load) = I(L) – I(Co)

- Khi van off-time, nguồn cấp bị ngắt ra khỏi tải như hình thứ 3 ở trên, cuộn cảm lúc này sẽ phóng điện chống lại sự giảm đột ngột dòng điện trong mạch và tiếp tục dẫn dòng điện đi qua tải Lúc này dòng nuôi tải gồm cả dòng cuộn dây phóng ra

và tụ Co xả I(load) = I(L) – I(Co) (vì khi phóng điện, tụ phóng theo chiều ngược lạivới khi sạc nên dòng I(Co) lúc này âm)

- Cuối cùng ta có I(load) = I(L) – I(Co) trong cả 2 trường hợp nên với cuộn dây có điện cảm đủ lớn và tụ điện có điện dung đủ lớn ta sẽ có điện áp ra tải Vo gần như phẳng Vo = I(load)*R(load) Vậy với tải R(load) cố định thì dòng qua tải cũng gần như là ổn định

- Điện áp trung bình đầu ra được tính theo công thức:

*VinViệc điều chỉnh điện áp đầu ra Vout chính là điều khiển sự đóng mở của van, ta

có nhiều cách tạo ra xung vuông điều khiển nhưng thông dụng nhất và ta sử dụng ở đây đó là giữ nguyên chu kì Ts và thay đổi thời gian mở xung t1, điều này có thể được thực hiện nhờ IC XL4016

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ ĐÈN ĐỌC PHIM X-QUANG3.1 Xác định đặc tính kỹ thuật của đèn

3.1.1 Yêu cầu chức năng của đèn

Để thiết kế được một chiếc đèn đọc phim có thể sử dụng được thì phải dựa trên các đặc điểm kỹ thuật của tất cả các loại đèn thông dụng đang sử dụng trong các bệnh viện hiện nay Do đó em thiết kế đèn đọc phim x-quang với những đặc điểm như sau:

 Đèn có kích thước đèn (W x H x D): 36 x 45 x 5 cm

 Ánh sáng sử dụng: ánh sáng trắng

 Sử dụng Led thanh làm nguồn sáng

 Đèn có thể thay đổi cường độ sáng từ 0 – 6000 lux để thích hợp với khả năngchẩn đoán trên phim X quang, MRI hay CT

 Điện áp đầu vào: 220V – 50Hz

 Nguồn cung cấp cho đèn phải ổn định

 Công suất tiêu thụ: <= 60W

3.1.2 Yêu cầu phi chức năng của đèn

Ngoài các yêu cầu chức năng trên, thì các yêu cầu phi chức năng cũng khôngkém phần quan trọng:

 Sản phẩm mỏng, nhẹ, gọn gàng và dễ di chuyển

 Ánh sáng đồng đều trên bề mặt của đèn

 Bác sĩ có thể sử dụng một cách dễ dàng

 Dùng để treo tường, có thể tháo lắp một cách dễ dàng

3.2 Sơ đồ khối của đèn đọc phim X-quang

Để thuận tiện cho việc thiết kế sản phẩm, em mô tả sản phẩm thông qua việc dựng lên một sơ đồ khối và từ mỗi khối ta có thể thực hiện được chi tiết công việc

và dễ dàng hoàn thành hơn Sau đây là sơ đồ khối của đèn đọc phim X-quang:

KHỐI NGUỒN

Hình 3.14 Sơ đồ khối của đèn đọc phim

Sau đây ta sẽ đi vào chi tiết từng khối của đèn đọc phim và đi vào thiết kế của mỗi khối

3.2.1 Khối nguồn của đèn đọc phim

Theo như yêu cầu chức năng của đèn đọc phim x-quang khi thiết kế thì phần nguồn đầu vào của đèn sẽ sử dụng điện lưới 220v-50Hz, tuy nhiên để cấp nguồn cho Led thanh thì ta phải sử dụng nguồn có điện áp đầu ra là 12V thì đèn mới có thể

sử dụng được Vì vậy ở đây em sử dụng bộ nguồn chuyển đổi 220v- 12Vdc để cungcấp nguồn cho Led Driver nuôi Led trong mạch

KHỐI ĐIỀUKHIỂN

KHỐI LED

KHỐI HIỂN THỊ

KHỐI KIỂMTRA

Hình 3.15 Khối nguồn 12V-10A

Khối nguồn chuyển đổi từ điện áp 220V sang 12V là bộ nguồn 12V-10A để đảm bảo cung cấp đủ công suất cho Led thanh hoạt động ổn định và hoạt động côngsuất tối đa

3.2.2 Khối Điều Khiển

Khối điều khiển led cung cấp khả năng tự động theo dõi và điều chỉnh dòng điện đầu vào để duy trì đúng mức điện áp của đèn LED bất kể điện áp đầu vào Điều này không chỉ làm giảm sự tiêu hao năng lượng, làm giảm hiệu quả nhiệt độ hoạt động của thiết bị, đồng thời cũng giúp ngăn ngừa hiện tượng quá tải điện áp và chập mạch làm cho đèn ít gặp hơn các vấn đề về bảo dưỡng

b) Thiết kế bộ điều khiển Led sử dụng IC XL4016

Hình 3.16 IC XL4016

 Mô tả chung về XL4016

XL4016 hoạt động ở tần số chuyển mạch cố định 180KHz ứng dụng trong mạch buck DC/DC converter, có thể hoạt động ổn định khi dòng của tải cao lên tới 8A với hiệu suất cao và đầu ra ổn định Yêu cầu ít các linh kiện ghép nối từ bên ngoài, bộ điều chỉnh rất dễ sử dụng và bao gồm sự bù tần số từ bên trong và một bộ dao động với tần số cố định Mạch điều khiển PWM có thể điều chỉnh được chu kỳ nhiệm vụ từ 0 – 100% một cách tuyến tính Một chức năng bảo vệ quá dòng được xây dựng bên trong và khi chức năng bảo vệ ngắn mạch xảy ra, tần số chuyển mạch

sẽ giảm từ 180KHz xuống 48KHz

 Các đặc tính cơ bản của XL4016

 Dải điện áp đầu vào cho phép là 8V – 40Vdc

 Dải điện áp đầu ra điều chỉnh được từ 1.25V – 36Vdc

 Chu kì nhiệm vụ tối đa 100%

 Mức điều chỉnh đầu ra nhỏ nhất 0.3V

 Tần số chuyển mạch là 180KHz

 Hoạt động ổn định với dòng đầu ra cao 8A

 Sử dụng MOSFET để đóng cắt bên trong

 Hiệu suất cao lên tới 96%

 Xây dựng chức năng tắt khi quá nhiệt

 Xây dựng chức năng giới hạn dòng

 Xây dựng chức năng bảo vệ ngắn mạch đầu ra

 Xây dựng chức năng bảo vệ quá áp đầu vào

Hình 3.17 Sơ đồ chân XL4016

có tác dụng phản hồi điện áp đầu ra để đưa về các bộ so sánh bên trong để từ đó đưa ra sự điều chỉnh điện áp tại đầu ra ở chân SW Ngưỡng điện áp feedback là 1.25V

một nguồn điện áp điều chỉnh bên trong

hoạt động với dãy điện áp đầu vào từ 8 - 40Vdc

Bảng 3.8 Chức năng các chân XL4016

Hình 3.18 Sơ đồ khối chức năng XL4016

Hình 3.19 Mạch ứng dụng XL4016 điển hình (VIN = 8V ~ 40V, VOUT = 5V / 8A)

 Sơ đồ nguyên lý mạch

Hình 3.20 Sơ đồ nguyên lý Led Driver

Khi điện áp đầu vào cố định nằm trong dải cho phép từ 8V – 40Vdc thì điện

áp đầu ra thay đổi được là nhờ sự thay đổi của điện trở R2 Khi điện trở R2 thay đổilàm cho tín hiệu điện áp phản hồi về IC VFB thay đổi đưa vào các bộ so sánh và xử

lý bên trong IC điều khiển thời gian van MOSFET đóng mạch (on-time) t1 thay đổi theo, dẫn tới chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle) thay đổi theo Điều này làm cho điện áp đầu ra cũng được thay đổi:

*Vin

Từ đó điện áp đầu ra được tính bởi công thức: Vout = 1.25*(1+R2/R1)

Từ mạch nguyên lý trên, ta có thể dễ dàng thiết kế được một bộ Led Driver đơn giản, ở đây tôi sử dụng module buck DC – DC XL4016 có sẵn: