2.1.1. Giải pháp chiếu sáng bằng đèn LED
Cho đến nay, đèn LED được coi là một thế hệ công nghệ chiếu sáng mới. So với bóng đèn huỳnh quang và bóng đèn dây tóc thì đèn LED có hiệu quả hơn lần lượt
gấp 4 lần và 15 lần. So với bóng đèn huỳnh quang, nó tiêu thụ ít năng lượng hơn và không chứa thủy ngân độc hại cho người tiêu dùng. Còn đối với bóng đèn sợi đốt, đèn LED vượt trội hoàn toàn từ khả năng chiếu sáng cho đến khả năng tiết kiệm điện năng cũng như tuôi thọ sử dụng.
Đèn LED dần trở nên phổ biến và được ứng dụng rộng rãi hơn, từ ánh sáng đường phố, đèn giao thông, đèn hàng hải đến màn hình máy tính hay điện thoại thông minh. Đèn LED thường có mức đầu tư ban đầu cao hơn so với các loại bóng đèn khác. Tuy nhiên, giá của nó liên tục được giảm theo thời gian và dự kiến xuống mức được áp dụng rộng rãi ở các nước nghèo. Việc sử dụng đèn LED có thể cải thiện chất lượng cuộc sống của họ. Đèn LED chiếu sáng góp mặt trong nhiều những lĩnh vực của xã hội và dù được sử dụng ở bất kỳ đâu thì đèn LED cũng mang lại sự hài lòng và đóng góp những lợi ích tốt nhất trong sử dụng. Trong giao thông công chính, công nghệ LED trong đèn LED chiếu sáng tỏ ra vượt trội trong việc thỏa mãn tiêu chí tiết kiệm điện năng, mỹ quan, dễ điều khiển và bảo vệ môi trường. Sử dụng đèn LED trong giao thông hàng hải giúp các hoạt động diễn ra dễ dàng và thuận tiện hơn, mặt khác đèn LED với tuổi thọ lâu dài còn giúp hạn chế khả năng hỏng hóc của những đèn tín hiệu khác
2.1.1.1. Phương pháp chọn LED nghiên cứu cho đề tài
Để sử dụng đèn LED đạt hiệu quả, đảm bảo các ưu điểm LED, ta cần xây dựng phương án sử dụng một cách phù hợp. Đối với các loại LED có các thông số kỹ thuật đảm bảo chất lượng do chính hãng sản xuất cung cấp thì việc sử dụng là rất đơn giản. Tuy nhiên, hầu hết trên thị trường Việt Nam hiện nay, đèn LED là của Trung Quốc sản xuất, các thông số kỹ thuật như dòng điện và điện áp định mức, đồ thị đặc tuyến V-A không được công bố, hoặc không rõ ràng. Vì vậy trước khi đưa vào sử dụng, chúng ta cần thực nghiệm để xác định tính đồng nhất, đường đặc tuyến làm việc của LED và một số thông số khác như sự ổn định nhiệt theo thời gian… Từ đó tìm ra điểm làm việc tối ưu của LED. Sau đó tùy vào mục đích sử dụng mà chọn loại LED phù hợp.
Dụng cụ thí nghiệm:
Nguồn một chiều đầu ra có điều chỉnh
Đồng hồ vạn năng hiển thị số: Sanwa - CD771
Đồng hồ đo cường độ sáng: MS - 1500 Các thông số cần xác định:
Dòng điện là việc: I (A)
Điện áp: U (V)
Cường độ sáng: E (lux)
Hình 2.2: Dụng cụ thí nghiệm
Cơ cấu tối ưu cho việc chế tạo đèn bằng LED là sử dụng LED dải. LED dải với trường sáng rộng. Quang độ của LED dải trải trên bề mặt tạo ánh sáng phân cực mà không tập trung như LED đơn vị, nên ánh sáng tạo ra sẽ gần với hiệu ứng sáng huỳnh quang hơn. Ta chọn 2 mẫu đèn LED như trong Hình 2.3, Hình 2.4 mỗi loại thử với 1 đèn để tiến hành làm thí nghiệm. Sau đó so sánh kết quả để chọn loại LED phù hợp
Hình 2.3: Mẫu thử nghiệm số 1 LED 3mm siêu sáng
Hình 2.4: Mẫu thử nghiệm số 2 LED 5mm sử dụng rộng rãi
Tiến hành thí nghiệm
Dùng nguồn điều chỉnh điện áp cấp cho LED (dòng điện cũng thay đổi). Tại mỗi điểm điều chỉnh, tương ứng một cặp (U,I), ta xác định được cường độ sáng của LED thông qua đồng hồ đo cường độ sáng. Kết quả thu được cho trong Bảng 2.1; 2.2; 2.3; 2.4; 2.5; 2.6 và đường đặc tuyến V-A trong Biểu đồ 2.1; 2.2; 2.3.
(a) (b) (c)
(a): LED 3mm dẹp ngắn màu xanh (b): LED 3mm dẹp ngắn màu đỏ (c): LED 3mm dẹp ngắn màu trắng
(1): LED 5mm tròn dài màu xanh (2): LED 5mm tròn dài màu đỏ (3): LED 5mm tròn dài màu trắng
Bảng 2.1: Kết quả thử nghiệm mẫu số 1(a): LED 3mm dẹp ngắn màu xanh
Điện áp (v) Dòng điện (mA) Độ sáng (Lux)
2.605 1 60.3 2.734 2 242.3 2.853 5 581 2.915 8 818 3.05 10 1140 3.17 14 1220 3.230 33 2224 3.316 41 2525 3.494 66 3231 3.522 71 2946
Bảng 2.2: Kết quả thử nghiệm mẫu số 1(b): LED 3mm dẹp ngắn màu đỏ
Bảng 2.3: Kết quả thử nghiệm mẫu số 1(c): LED 3mm dẹp ngắn màu trắng
Điện áp (v) Dòng điện (mA) Độ sáng (Lux)
2.505 1 43.14
Điện áp (v) Dòng điện (mA) Độ sáng (Lux)
1.779 1 9.9 1.867 2 34.28 1.929 5 52.3 2.075 15 150 2.149 23 186.3 2.270 47 178.4 2.304 59 160 2.405 92 103
2.738 3 402 2.825 4 791 2.959 6 1746 3.092 6 2915 3.131 7 3229 3.203 8 3725 3.256 10 4150 3.321 13 4400 3.372 18 4840 3.366 24 5530 3.397 26 5560 3.411 29 5280
Bảng 2.4: Kết quả thử nghiệm mẫu số 2(1): LED 5mm tròn dài màu xanh
Điện áp (v) Dòng điện (mA) Độ sáng (Lux)
2.612 1 154.9 2.728 4 547 2.858 9 1176 2.919 13 1537 3.070 26 2533 3.135 35 3030 3.210 48 3614 3.362 96 2837 3.411 115 2460
Bảng 2.5: Kết quả thử nghiệm mẫu số 2(2): LED 5mm tròn dài màu đỏ
Điện áp (v) Dòng điện (mA) Độ sáng (Lux)
1.855 3 26.17
1.962 9 84.7
2.042 17 135.8
2.172 23 66
2.277 49 49.3
Bảng 2.6: Kết quả thử nghiệm mẫu số 2(3): LED 5mm tròn dài màu trắng
Điện áp (v) Dòng điện (mA) Độ sáng (Lux)
2.417 1 266.2 2.532 2 471 2.666 4 762 2.763 7 1037 2.850 10 1321 2.922 14 1626 3.023 23 2099 3.181 51 3121 3.245 96 3638 3.357 135 3355 3.432 164 3204
Biểu đồ 2.1: Đồ thị so sánh chọn điểm làm việc loại LED màu xanh (a), (1)
Biểu đồ 2.3: Đồ thị so sánh chọn điểm làm việc loại LED màu trắng (c), (3)
2.1.1.2. Xác định điểm làm việc tối ưu Điểm tối ưu
Đặc điểm LED thắp sáng phụ thuộc nhiều vào dòng hơn so với bằng áp, nên điểm năng lượng tối ưu của LED được xác định bởi chế độ dòng điện mà tại đó: Điểm làm việc tối ưu là điểm có quang độ cao nhất ứng với dòng điện nhỏ nhất. Quang độ đạt đỉnh cao nhất đo bằng Lumen ở khoảng cách 0,5m. Nhiệt độ bề mặt LED nhỏ hơn điểm tối đa theo khuyến cáo của nhà sản xuất.
Như vậy, dòng điện cấp cho LED sẽ chọn gần điểm bão hoà dòng. Một số tài liệu cho rằng đó là 90% dòng bão hoà (ở điểm bão hòa dòng, dòng điện tăng thì quang năng vẫn không tăng, chỉ tăng nhiệt độ).
Quang độ tăng dần theo dòng điện cung cấp cho LED đến khi đạt đỉnh thì cũng là lúc bắt đầu đi vào vùng bão hoà dòng điện. Nếu tiếp tục tăng dòng điện thì một số thành phần của LED hoá hơi, chuyển động hỗn loạn làm rối loạn cơ chế quang học làm cho quang độ bị suy giảm. Đến dòng điện suy hoại Id thì LED biến tính và mất tác dụng sinh quang, LED “chết”. Điểm bão hòa dòng của 2 mẫu thí nghiệm trên với điện áp và dòng điện dòng điện:
Bảng 2.7: Chọn điểm làm việc LED làm thí nghiệm
Mẫu thí nghiệm Điện áp (V) Dòng điện (mA)
Mẫu 1 (a) 3.230 33 (b) 2.270 47 (c) 3.397 26 Mẫu 2 (1) 3.210 48 (2) 2.042 17 (3) 3.245 96
Chọn điểm làm việc tối ưu
Dựa vào các điều kiện trên ta có: Điểm làm việc tối ưu tại điện áp:
Utư = 90%.ULED
khi đó dòng điện, cường độ sáng tương ứng của từng LED thí nghiệm ở Bảng... Bảng 2.8: Thông số cường độ sáng và dòng điện
Mẫu thí nghiệm Dòng điện tiêu thụ
(mA) Cường độ sáng E(lux) Mẫu 1 (a) 8 818 (b) 15 150 (c) 18 4840 Mẫu 2 (1) 13 1537 (2) 3 26.17 (3) 23 2099
Từ bảng so sánh sô liệu trên, để đảm bảo tối ưu nhất em đã chọn được thông số loại LED để tiếp tục nghiên cứu ứng dụng vào đồ án.
Bảng 2.9: Thông số LED làm đồ án
Loại LED Điện áp tiêu thụ
(V) Dòng điện tiêu thụ (mA) Cường độ sáng E(lux) (2.1)
Màu xanh (1) 2.9 13 1537
Màu đỏ (b) 2 15 150
Màu trắng (c) 3 18 4840
2.1.2. Thiết kế đèn
Ta sẽ tính toán phương án cấp nguồn cho LED ở điện áp này. Từ đồ thị đặc tuyến làm việc của LED. Ta chọn LED làm việc với các thông số sau:
Điện áp định mức: ULED
Dòng điện định mức: ILED
Nguyên tắc mắc LED:
Không mắc song song trực tiếp các LED vì đèn LED khi chế tạo không thể đồng nhất, khi đó nếu mắc song song và nối tiếp điện trở thì dòng trên mỗi LED không cân bằng gây hiện tượng LED sáng không đều, thời gian dài sẽ cháy những LED bị quá dòng.
Tại đầu mỗi nhánh nối tiếp thêm một điện trở để hạn dòng. Không hạn dòng bằng các mắc các nhánh nối tiếp với điện trở.
Cần chọn phương án mắc LED phù hợp: Sơ đồ, giá trị điện trở… để nâng cao hiệu suất chiếu sáng và tuổi thọ LED.
Sơ đồ mắc LED:
Với điện áp mỗi LED là: ULED. Để tránh tổn hao nhiệt trên điện trở cản, từ đó nâng cao hiệu quả chiếu sáng. Ta mắc 3 LED nối tiếp để tối ưu nhất khi có sự cố xảy ra trên tàu chỉ còn điện 1 bình 12V đèn vẫn làm việc được thì điện áp cần cấp cho LED là:
Um = 3 ULED
Khi đó với điện áp nguồn Ung ta có giá trị điện trở cần mắc ở mỗi nhánh là:
R= Công suất một nhánh là: PN= RI2+3. ULED. ILED (2.2) (2.3) (2.4)
Qua thực nghiệm chiếu sáng, số lượng đèn LED cần mắc như sau: Mỗi dãy 3 LED hạn dòng bằng một điện trở. Bảng đèn sẽ gồm n dãy mắc song song. Khi đó đèn sẽ có các thông số sau:
- Dòng điện định mức: Iđm = n. ILED
- Điện áp làm việc: Ulv = Ung
- Công suất: Pđèn = n. PN
Sơ đồ mạch in đèn LED
Với kích thước đã xác định và đảm bảo cho mạch in tối ưu nhất trong việc chế tạo các loại đèn hành trình hàng hải với góc chiếu khác nhau, thiết kế đã đảm bảo được điều đó. Trong quá trình thiết kế mạch cần đảm bảo được dòng điện và điện áp cho LED làm việc ổn định, khoảng cách đảm bảo tiêu chuẩn phù hợp với mức điện áp để không có sự phóng điện. Thiết kế bo mạch này cho loại đèn làm trong đồ án, nếu loại đèn hàng hải khác cần tính toán lại để đạt hiệu suất đèn cao nhất.
Hình 2.5: Sơ đồ mạch in chân LED
Bảng 2.10: Ứng dụng mạch cho các loại đèn với góc chiếu khác nhau
Stt Góc chiếu Dãy Số lượng LED
1 112,50 6 18 2 1350 7 21 3 2550 11 33 4 3600 17 51 (2.5) (2.6)
Mạch nguồn
Trong quá trình thí nghiệm đã sử dụng các IC ổn áp khác nhau như ICXL4015, IC33167T... nhưng với kích thước loại đèn hàng hải này thì mạch nguồn IC33167T không phù hợp nên đã chọn mạch nguồn Xl4015 thực hiện trong đồ án. Mạch nguồn được chọn đảm bảo được khi có sự cố hở mạch vào bình Ắc quy lúc đạt cực đỉnh của 2 tấm Pin năng lượng Mặt Trời lên tới 36 V thì đảm bảo đèn vẫn làm việc bình thường. Ngoài ra để đảm bảo an toàn cho đèn LED hàng hải còn thiết kế thêm bộ phận chống ngược đề phòng sự cố đấu nhầm cực do sơ ý của ngư dân.
Hình 2.6: Thông số kỹ thuật pin năng lượng mặt trời ứng dụng trên tàu QNA 90170
Mạch nguồn sử dụng chip Xl4015 - 5A, tần số làm việc 180 kHz sử dụng điều chỉnh điện áp vào lên đến 40 V-DC ra các điện áp ứng với từng đèn. Hiệu suất mạch 96% về lý thuyết.
Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn
Hình 2.8: Mạch nguồn thực tế Mạch băm xung
Sử dụng mạch băm xung điều chỉnh độ rộng xung đảm bảo cho LED làm việc ổn định hơn và điều chỉnh độ rộng xung để thay đổi độ sáng các đèn đảm bảo đúng yêu cầu tâm xa các đèn hàng hải.
Mạch băm xung sử dụng IC555, là một loại linh kiện khá là phổ biến bây giờ với việc dễ dàng tạo được xung vuông và có thể thay đổi tần số tùy thích, với sơ đồ mạch đơn giản, điều chế được độ rộng xung. Nó được ứng dụng hầu hết vào các mạch
tạo xung đóng cắt hay là những mạch dao động khác. Đây là linh kiện của hãng CMOS sản xuất. Sau đây là bảng thông số của 555 có trên thị trường:
Điện áp đầu vào: 2 - 18V (Tùy từng loại của 555: LM555, NE555, NE7555..)
Dòng điện cung cấp: 6mA - 15mA
Điện áp logic ở mức cao: 0.5 - 15V
Điện áp logic ở mức thấp: 0.03 - 0.06V
Công suất lớn nhất là: 600mW
Chức năng các chân:
Chân số 1 (GND): Cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân còn gọi là chân chung.
Chân số 2 (TRIGGER): Đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh và được dùng như 1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tần so áp. Mạch so sánh ở transistor PNP với mức điện áp chuẩn là 2/3Vcc.
Chân số 3 (OUTPUT): Chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic. Trạng thái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1. 1 ở đây là mức cao nó tương ứng với gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với 0V nhưng mà trong thực tế mức 0 này ko được 0V mà nó trong khoảng từ (0.35 - 0.75V) .
Chân số 4 (RESET): Dùng lập định mức trạng thái ra. Khi chân số 4 nối masse thì ngõ ra ở mức thấp. Còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì trạng thái ngõ ra tùy theo mức áp trên chân 2 và 6. Nhưng mà trong mạch để tạo được dao động thường hay nối chân này lên VCC.
Chân số 5 (CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối GND. Chân này có thể không nối cũng được nhưng mà để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF các tụ này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định.
Chân số 6 (THRESHOLD): Là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp khác và cũng được dùng như 1 chân chốt.
Chân số 7 (DISCHAGER): Có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịu điều khiển bỡi tầng logic của chân 3. Khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này đóng lại ngược lại thì nó mở ra. Chân 7 tự nạp xả điện cho 1 mạch R-C lúc IC555 dùng như 1 tầng dao động.
Chân số 8 (VCC): Không cần nói cũng bít đó là chân cung cấp áp và dòng cho IC hoạt động, không có chân này coi như IC chết. Nó được cấp điện áp từ 2V- 18V.
Hình 2.10: Mạch băm xung
2.2. QUÁ TRÌNH CHẾ TẠO VÀ THI CÔNG ĐÈN BÁO HIỆU HÀNG HẢI TRÊN TÀU CÁ NGHỀ LƯỚI VÂY QNA 90170 DÙNG ĐIỆN MẶT TRỜI TÀU CÁ NGHỀ LƯỚI VÂY QNA 90170 DÙNG ĐIỆN MẶT TRỜI
2.2.1. Đèn mạn phải màu xanh 112,5 độ
Với điện áp mỗi LED là: ULED = 2,9V. Để tránh tổn hao nhiệt trên điện trở cản, từ đó nâng cao hiệu quả chiếu sáng. Ta mắc 3 LED nối tiếp thì điện áp cần cấp cho LED là:
Um = 3.ULED = 3. 2.9= 8,7 (V) Khi đó với điện áp nguồn Ung = 9V. Giá trị điện trở cần mắc ở mỗi nhánh là:
R= = ,
. = 23 Ω
Tuy nhiên qua quá trình thử nghiệm, ta chọn điện trở có giá trị R= 10 Ω để giảm tổn hao công suất trên điện trở.
Công suất một nhánh là:
PN = RI2+3.ULED. ILED = 10.0,0132+3.2,9.0,013 = 0,115 (W)
Qua thực nghiệm chiếu sáng, số lượng đèn LED cần mắc như sau: Mỗi dãy 3 LED hạn dòng bằng một điện trở. Bảng đèn sẽ gồm 6 dãy mắc song song. Khi đó đèn sẽ có các thông số sau: