Thiết kế và thi công đèn chiếu sáng dân dụng sử dụng diode phát quang

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA XÂY DỰNG VÀ ĐIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ĐÈN CHIẾU SÁNG DÂN DỤNG SỬ DỤNG DIODE PHÁT QUANG SVTH : NGÔ VĂN SINH MSSV : 20762079 GVHD : TS TRẦN THANH TRANG TP Hồ Chí Minh, tháng năm 2012 TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA XÂY DỰNG VÀ ĐIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ĐÈN CHIẾU SÁNG DÂN DỤNG SỬ DỤNG DIODE PHÁT QUANG SVTH : NGÔ VĂN SINH MSSV : 20762079 GVHD : TS TRẦN THANH TRANG TP Hồ Chí Minh, tháng năm 2012 Đồ Án Tốt Nghiệp Kỹ Sư Công Nghiệp GVHD: TS.TRẦN THANH TRANG LỜI MỞ ĐẦU Trong sống ngày với phát triển khoa học cơng nghệ vấn đề sử dụng tiết kiệm có hiệu nguồn lượng đặt lên hàng đầu nguồn lượng dần cạn kiệt Đối với nguồn lượng điện vấn đề đặt làm để sử dụng tiết kiệm có hiệu Để tiết kiệm điện chiếu sáng sinh hoạt sản xuất, bóng đèn tiết kiệm điện dần đời Ngày nay, công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn phát triển nhanh chóng xuất linh kiện bán dẫn có khả phát sáng với cơng suất tiêu thụ điện thấp tuổi thọ bóng cao, LED LED ứng dụng nhiều sống hiển thị, quảng cáo.v.v ứng dụng chiếu sáng chưa phát triển Vì vậy, đề tài “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ĐÈN CHIẾU SÁNG DÂN DỤNG SỬ DỤNG DIODE PHÁT QUANG” với mục đích nghiên cứu sau:  Nghiên cứu cấu tạo nguyên lý hoạt động LED  Nguyên lý chiếu sáng dân dụng  Nguyên lý thiết kế chiếu sáng dân dụng  Thiết kế đèn chiếu sáng dùng LED  So sánh loại đèn sợi đốt, compact, đèn led vừa thiết kế  Áp dụng kiến thức học vào thực tế sống Trong khoảng thời gian tương đối ngắn kiến thức hạn hẹp nên q trình thực đề tài có nhiều thiếu sót Kính mong đóng góp ý kiến thầy bạn để tơi hồn thiện phát triển đề tài SVTH : Ngô Văn Sinh MSSV : 20762079 Đồ Án Tốt nghiệp Kỹ Sư Công Nghiệp GVHD : TS TRẦN THANH TRANG LỜI CẢM ƠN Trước hết, xin cảm ơn ba mẹ, gia đình nguồn động viên lớn chỗ dựa vững suốt trình học tập giảng đường đại học Em xin kính gửi đến thầy Trần Thanh Trang lời cảm ơn chân thành sâu sắc nhất, cảm ơn thầy tận tình hướng dẫn, dạy em suốt trình thực đồ án tốt nghiệp Em xin cảm ơn tất thầy cô trường Đại Học Mở Tp.HCM nói chung, q thầy khoa Xây Dựng & Điện thầy cô mơn nói riêng tận tình giảng dạy, trang bị cho em kiến thức bổ ích thời gian học đại học Chúng xin cảm ơn tất bạn bè động viên, góp ý, giúp đỡ tơi nhiều q trình học tập thực đồ án tốt nghiệp Xin gửi tới người lời cảm ơn chân thành Sinh viên NGÔ VĂN SINH SVTH : Ngô Văn Sinh MSSV : 20762079 Đồ án tốt nghiệ kỹ sư công nghiệp GVHD: TS TRẦN THANH TRANG CHƯƠNG TỒNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Mục đích chọn đề tài Cùng với phát triển khoa học công nghệ Các vấn đề lượng vấn đề quan trọng giới Khi nguồn lượng từ nhiên dần cạn kiệt than đá, dầu mỏ.v.v Vấn đề đặt làm để sử dụng lượng tiết kiệm hiệu tìm nguồn lượng Chiếu sáng sinh hoạt sản xuất nhu cầu cần thiết người Vậy làm để có loại đèn sử dụng sinh hoạt sản xuất tiết kiệm điện nhất, có tuổi thọ lâu mà đảm bảo độ sáng Với phát triển linh kiện điện tử bán dẫn, loại đèn đời với ưu điểm: tiêu thụ công suất thấp, cho ánh sáng tốt tuổi thọ sử dụng lâu, đèn LED LED ứng dụng nhiều quảng cáo, hiển thị lĩnh vực chiếu sáng sinh hoạt hay sản xuất chưa phát triển Đây ý tưởng để thực đề tài: “Ứng dụng LED để thiết kế đèn chiếu sáng dân dụng” Mục đích nghiên cứu đề tài:  Nghiên cứu, tìm hiểu đèn led, từ thiết kế đèn tiết kiệm điện Lập tốn so sánh tính kinh tế đèn vừa thiết kế so với đén sợi đốt đèn compact 1.2 Đối tượng nghiên cứu đề tài Thực đề tài dựa nghiên cứu vấn đề sau:  Cấu tạo, nguyên lý hoạt động LED  Cấu tạo, nguyên lý hoạt động đèn sợi đốt  Cấu tạo, nguyên lý làm việc đèn compact 1.3 Phương pháp phương tiện nghiên cứu 1.3.1 Phương pháp nghiên cứu SVTH: Ngô Văn Sinh MSSV: 20762079 Trang Đồ án tốt nghiệ kỹ sư công nghiệp GVHD: TS TRẦN THANH TRANG Trong trình nghiên cứu, sinh viên thực chủ yếu dựa vào hai phương pháp chính: - Phương pháp tham khảo tài liệu: Thu thập tài liệu liên quan đến LED, kỹ thuật mạch điện tử Sau đó, sinh viên vận dụng kiến thức có để tổng hợp tài liệu, sau thiết kế mạch điện phù hợp với yêu cầu mà ban đầu đề - Phương pháp quan sát thực nghiệm: Sau có mạch theo tính tốn lý thuyết, sinh viên thi công mạch thực tế theo sơ đồ nguyên lý vạch Sử dụng thiết bị đo để hiệu chỉnh mạch để có đáp ứng đạt yêu cầu 1.3.2 Phương tiện nghiên cứu  Các tài liệu liên quan đến đề tài  Máy đo độ rọi ánh sáng, dao động ký, VOM  Máy tính 1.4 Ứng dụng khả phát triển đề tài 1.4.1 Ứng dụng Đề tài có tính ứng dụng thực tiễn cao:  Ứng dụng chiếu sáng tiết kiệm điện thay dần đèn sợi đốt đèn huỳnh quang Với ưu điểm tiết kiệm điện tuổi thọ cao đèn LED hồn tồn thay loại đèn chiếu sáng  Ứng dụng rông rãi lĩnh vực sinh hoạt, học tập, sản xuất v.v 1.4.2 Khả phát triển đề tài Sản phẩm đèn Led ưa chuộng lắp đặt nhiều tương lai gần lợi ích mang lại so với đèn sợi đốt, đèn compact… SVTH: Ngô Văn Sinh MSSV: 20762079 Trang Đồ án tốt nghiệ kỹ sư công nghiệp GVHD: TS TRẦN THANH TRANG CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ LED 2.1 Diode bán dẫn 2.1.1 Vật liệu bán dẫn Trong trình phân loại vật chất trình dẫn điện, người ta chia thành ba loại: vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện vật liệu bán dẫn Chất dẫn điện vật liệu cho phép dịng điện truyền qua Chất cách điện vật liệu khơng cho phép dịng điện truyền qua Chất bán dẫn vật liệu trung gian vật liệu dẫn điện vật liệu cách điện Các chất bán dẫn tạo thành từ hai loại: Các chất bán dẫn đơn chất nguyên tố thuộc nhóm IV bảng tuần hồn ngun tố hóa học Mặt khác, chất bán dẫn hợp chất hình thành từ ngun tố nhóm III nhóm IV (thường gọi hợp chất III-V), hay nhóm II nhóm VI (gọi hợp chất II-VI) Chất bán dẫn hợp chất bao gồm nguyên tố, chẳng hạn như: Thủy ngân-Cadimi-telurit [mercurycadmium-telluride]; Ga-Al-As [gallium-aluminum-arsenic]; Ga-In-Ar [gallium-indiumarsenic]; Ga-In-P [gallium-indium- phosphide] Theo lịch sử chế tạo linh kiện bán dẫn Ge chất bán dẫn sử dụng Tuy nhiên, Ge thay cách nhanh chóng Si dùng để chế tạo dụng cụ bán dẫn quan trọng Ngoài chất bán dẫn Silicon dùng nhiều, cịn có chất bán dẫn như: GaAr [gallium- arsenic] InP [Indium-phosphide] chất bán dẫn thơng dụng nay, vật liệu quan trọng việc chế tạo cấu kiện quang điện tử như: diode phát quang (LED), cơng nghệ Laser tách sóng quang … Nguyên tử Si nhóm IV bảng tuần hồn ngun tố hóa học nên có electron lớp ngồi Vì vậy, vật liệu đơn tinh thể Si hình thành liên kết đồng hóa trị với nguyên tử Si lân cận dạng khối khơng gian ba chiều hình: SVTH: Ngơ Văn Sinh MSSV: 20762079 Trang Đồ án tốt nghiệ kỹ sư cơng nghiệp GVHD: TS TRẦN THANH TRANG Hình 2.1: Cấu trúc mạng tinh thể Si Liên kết đồng hóa trị bền mặt hóa học điện tử hóa trị hấp thụ lượng đáng kể từ bên để bẻ gãy liên kết đồng hóa trị tạo thành điện tử tự Dưới tác dụng điện trường, ảnh hưởng lượng ánh sáng dạng photon hay tác động nhiệt độ điện tử hóa trị bẻ gãy liên kết tạo thành điện tử tự Các điện tử tự mang điện tích âm cịn ngun tử bị electron nên mang điện tích dương Trong thực tế, ưu điểm chất bán dẫn thể tạp chất bổ sung vào bán dẫn nguyên chất Mặc dù với nồng độ thấp chất bán dẫn tạo thành có ý nghĩa điều chỉnh đặc tính dẫn điện vật liệu tốt Các tạp chất thường sử dụng nguyên tố thuộc nhóm III nhóm V bảng tuần hồn ngun tố hóa học Khi pha tạp bán dẫn lấy từ nhóm V nguyên tố hóa học, có electron lớp ngồi cùng, vào bán dẫn Si Các nguyên tố thường sử dụng Phosphorus, Arsenic Antimony Khi nguyên tử nguyên tử Si, có electron nên hình thành liên kết với nguyên tử Si cịn dư electron Electron liên kết yếu với nguyên tử nên cần lượng nhỏ có thề bẻ gãy liên kết tạo thành điện tử tự Như vậy, nhiệt độ phòng, nguyên tử tạp chất bị electron mang điện tích dương, tương đương điện tích khơng thay đổi mạng tinh thể không thay đổi Trong bán dẫn tạo thành pha tạp thừa eclectron nên mang điện tích âm SVTH: Ngơ Văn Sinh MSSV: 20762079 Trang Đồ án tốt nghiệ kỹ sư công nghiệp GVHD: TS TRẦN THANH TRANG Hình 2.2: Cấu trúc mạng tinh thể Si pha tạp P Khi pha tạp chất nhóm III vào bán dẫn Si, có electron lớp ngồi nên hình thành liên kết với nguyên tử Si, nguyên tử thừa khoảng trống cấu liên kết, lổ trống dễ cho điện tử xung quanh chuyển sang hình thành lỗ trống khác Các lỗ trống xem hạt mang điện tích dương Vậy, bán dẫn tạo thành pha tạp ln mang điện tích dương mạng tinh thể không thay đổi Trong bán dẫn pha tạp nồng độ điện tử lổ trống chênh lệch nhiều: Nếu nồng độ điện tử lớn nồng độ lổ trống, ta gọi bán dẫn loại N Nếu nồng độ lổ trống lớn nồng độ điện tử, ta gọi bán dẫn loại P 2.1.2 Vùng lượng bán dẫn Tính chất dẫn điện vật liệu rắn giải thích nhờ lý thuyết vùng lượng Như ta biết điện tử tổn nguyên tử mức lượng gián đoạn (các trạng thái dừng) Nhưng chất rắn, mà nguyên tử kết hợp lại với thành khối, mức lượng bị phủ lên trở thành vùng lượng có ba vùng - Vùng cấm (Forbidden band) - Vùng dẫn (Conduction band) - Vùng hóa trị (valence band) SVTH: Ngơ Văn Sinh MSSV: 20762079 Trang Đồ án tốt nghiệ kỹ sư công nghiệp GVHD: TS TRẦN THANH TRANG Hình 2.3: Các vùng lượng chất rắn - Vùng hóa trị (valence band): Là vùng có lượng thấp theo thang lượng, vùng mà điện tử bị liên kết mạnh với nguyên tử không linh động - Vùng dẫn (Conduction band): Vùng có mức lượng cao nhất, vùng mà điện tử linh động (như điện tử tự do) điện tử vùng điện tử dẫn, có nghĩa chất có khả dẫn điện có điện tử tồn vùng dẫn - Tính dẫn điện tăng mật độ điện tử vùng dẫn tăng - Vùng cấm (Forbidden band): Là vùng nằm vùng hóa trị vùng dẫn, khơng có mức lượng điện tử tồn vùng cấm Nếu bán dẫn pha tạp, xuất mức lượng vùng cấm (mức pha tạp) Khoảng cách đáy vùng dẫn đỉnh vùng hóa trị gọi độ rộng vùng cấm, hay lượng vùng cấm (Band Gap) Tùy theo độ rộng vùng cấm lớn hay nhỏ mà chất dẫn điện khơng dẫn điện Như vậy, tính dẫn điện chất rắn tính chất chất bán dẫn lý giải cách đơn giản nhờ lý thuyết vùng lượng sau: Kim loại có vùng dẫn vùng hóa trị phủ lên (khơng có vùng cấm) ln ln có điện tử vùng dẫn mà kim loại ln ln dẫn điện Các chất bán dẫn có vùng cấm có độ rộng xác định Ở không độ tuyệt đối (0 K) mức Fermi nằm vùng cấm, có nghĩa tất điện tử tồn vùng hóa trị, chất bán dẫn khơng dẫn điện Khi tăng dần nhiệt độ, điện tử nhận lượng SVTH: Ngô Văn Sinh MSSV: 20762079 Trang Đồ án tốt nghiệ kỹ sư công nghiệp GVHD: TS TRẦN THANH TRANG - Thân thiện với mơi trường, giảm lượng khí thải CO2, tối thiểu hố lượng rác thải mơi trường đèn LED có tuổi thọ cao trung bình dài gấp 10 đến 20 lần loại bóng đèn chiếu sáng thông thường không sử dụng thuỷ ngân - An toàn cho người sử dụng, giảm nguy cháy nổ, nâng cao hiệu suất làm việc điều hồ khơng khí đèn LED phát nhiệt thấp trình làm việc - Chất lượng ánh sáng thân thiện, tối thiểu hố tia cực tím xạ hồng ngoại, không nhấp nháy, không gây nhức mỏi mắt - Có lơi mặt kinh tế Công nghệ LED sử dụng rộng rãi nước phát triển Thế giới mang lại lợi ích vơ to lớn, Việt Nam ứng dụng hạn chế Đặc biệt đông đảo người tiêu dùng chưa nhận thức lợi ích việc sử dụng đèn chiếu sáng LED Mặc dù mẻ song với tốc độ tăng trưởng kinh tế nhanh chóng nay, đèn LED trở thành nguồn sáng chiếm ưu thế, ứng dụng rộng rãi hoạt động chiếu sáng Việt Nam, góp phần đạt mục tiêu chung tiết kiệm lượng bảo vệ môi trường Cùng với phát triển sản xuất, công nghệ, giá thành đèn LED ngày hạ hơn, kênh phân phối đa dạng Nhưng từ bây giờ, gia đình xã hội bắt đầu với việc sử dụng đèn chiếu sáng cơng nghệ LED lợi ích gia đình xã hội SVTH: Ngô Văn Sinh MSSV: 20762079 Trang 63 Đồ án tốt nghiệ kỹ sư công nghiệp GVHD: TS TRẦN THANH TRANG KẾT LUẬN Sau khoảng thời gian tháng thực đề tài hồn thành mục tiêu đề  Tìm hiểu cấu trúc nguyên lý hoạt động LED  Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động đèn sợi đốt, đèn compact  Thiết kế đèn tiết kiệm điện dùng led đơn led SMD  Thu thập số liệu viết báo cáo  Lắp ráp đèn điều chỉnh độ sáng đèn u cầu đề Trong q trình cơng nhiều hạn chế mạch cồng kềnh Chưa đạt kết tối ưu hoàn thành mục tiêu đề SVTH: Ngô Văn Sinh MSSV: 20762079 Trang 64 Đồ án tốt nghiệ kỹ sư công nghiệp GVHD: TS TRẦN THANH TRANG Tài liệu tham khảo [1] “Tóm tắt giảng Kỹ thuật chiếu sáng”; TS Đinh Hồng Bách; Đại học Tơn Đức Thắng [2] “Kỹ thuật Chiếu sáng”; Patrick Vandeplanque; Nhà xuất Khoa học kỹ thuật [3] “Chiếusáng Tự nhiên Nhân tạo”; PGS PTS Phạm Đức Nguyên; Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [4] “Sổ tay Thiết kế Điện Chiếu sáng”; Nguyễn Viễn Sum; Nhà xuất Thanh niên [5] “Lighting Handbook – Reference & Application”; PhD Mark S Rea;Uminating Engineering Society of North America, New York [6] “ Phần mềm tính tốn chiếu sáng Dialux http://www.dial.de/DIAL/en/dialux/dialux-4/download.html [7]” Các website tham khảo: http://tailieu.vn/xem-tai-lieu/chieng-sang-nhan-tao-cac-nha-cong-nghiep-vacong-trinh-cong-nghiep-4.617679.html http://baigiang.violet.vn/present/show/entry_id/2905349/cm_id/2521531 http://www.alibaba.com/productgs/551831711/Hot_Sell_Cool_White_SMD_L ED.html?s=p SVTH: Ngô Văn Sinh MSSV: 20762079 Trang 65 Đồ án tốt nghiệ kỹ sư công nghiệp GVHD: TS TRẦN THANH TRANG PHỤ LỤC Phụ lục 1: Độ cong nhậy cảm mắt người trường sáng trường tối Hình 7.1: Độ nhạy cảm mắt Phụ lục 2: Biểu đồ Kruithof Hình 7.2: Biểu đồ Kruithof Đường cong Kruithof cho thấy thay đổi vùng nhìn tốt tương ứng nhiệt độ màu nguồn sáng sử dụng SVTH: Ngô Văn Sinh MSSV: 20762079 Trang 66 Đồ án tốt nghiệ kỹ sư công nghiệp GVHD: TS TRẦN THANH TRANG Trong phòng chiếu sáng đồng với độ rọi khoảng 200Lx,ta thấy khó chịu chiếu sáng đèn dầu hỏa ( CT khoảng 2000K), đèn có ánh sáng ban ngày CT khoảng 5000K Với đèn dầu hỏa có tơng ấm độ rọi cảm thấy cao không gian xung quanh thấy sáng, ngược lại với ánh sáng ban ngày thấy độ rọi yếu phòng xám tối Cả loại đèn huỳnh quang ấm 3000K đèn sợi đốt 2700K cho CT khoang 2700K – 3000K chấp nhận Phụ lục 3: Chỉ số hoàn màu Ra=0→đúng với ánh sáng đơn sắc Ra=100→ánh sáng tự nhiên Ra