Chương 1. Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động đèn Led. Phân tích ưu nhược điểm một số loại LED chiếu sáng thông dụng trên thị trường. LED Xenon, LED Cree.
Phân tích cấu tạo, nguyên lý hoạt động các mạch ổn áp nguồn ngắt mở. Tính toán lắp ráp mạch nguồn dòng dùng LM 2576ADJ. Trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp, do hạn chế về trình độ, thời gian và tài liệu nên không tránh khỏi thiếu sót. Em rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn.
Em xin cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện - Điện tử, đặc biệt là thầy Đỗ Anh Dũng đã giúp đỡ em hoàn thành tốt đồ án này. Hải Phòng, tháng 4 năm 2015 Sinh viên thực hiện Nguyễn Văn Kiên CHƢƠNG 1 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐÈN LED I.1 Lịch sử phát triền công nghệ chiếu sáng: - Từ xa xưa, người tiền sử sử dụng những ngọn đèn thô sơ để chiếu sáng hang động của mình. Những đèn đó làm từ những vật liệu sẵn có như đá, vỏ cây, sừng thú vật chứa mỡ và ngọn bấc. Thông thường sử dụng mỡ động và thực vật.
- Con người chủ yếu tạo ra ánh sáng từ lửa mặc dù đây là nguồn nhiệt nhiều hơn ánh sáng. Ở thế kỷ 21, chúng ta vẫn đang sử dụng nguyên tắc đó để sản sinh ra ánh sáng và nhiệt qua loại đèn nóng sáng. Trong vài thập kỷ gần đây, các sản phẩm chiếu sáng đã trở nên tinh vi và đa dạng hơn nhiều. - Theo ước tính, tiêu thụ năng lượng của việc chiếu sáng chiếm khoảng 20 – 45% tổng tiêu thụ năng lượng của một toà nhà thương mại và khoảng 3 – 10% trong tổng tiêu thụ năng lượng của một nhà máy công nghiệp.
Hầu hết những người sử dụng năng lượng trong công nghiệp và thương mại đều nhận thức được vấn đề tiết kiệm năng lượng trong các hệ thống chiếu sáng. - Thông thường có thể tiến hành tiết kiệm năng lượng một cách đáng kể chỉ với vốn đầu tư ít và một chút kinh nghiệm. Thay thế các loại đèn hơi thuỷ ngân hoặc đèn nóng sáng bằng đèn halogen kim loại hoặc đèn natri cao áp sẽ giúp giảm chi phí năng lượng và tăng độ chiếu sáng. - Tuy nhiên, trong một số trường hợp, cần phải xem xét việc sửa đổi thiết kế hệ thống chiếu sáng để đạt được mục tiêu tiết kiệm như mong đợi.
Cần hiểu rằngnhững loại đèn có hiệu suất cao không phải là yếu tố duy nhất đảm bảo một hệ thống chiếu sáng hiệu quả.2 Điện cho chiếu sáng Điện tiêu thụ cho chiếu sáng toàn cầu 60GW/năm (2650 TWh/năm). + Chiếm 19% tổng điện tiêu thụ toàn cầu (VN: 25,3%). + Khoảng 24 GW/năm cho sử dụng đèn sợi đốt với hiệu suất phát quang chỉ có 15lm/W. + Khoảng 36 GW/năm cho sử dụng đèn FL/HID hiệu suất phát quang trung bình 75lm/W.
+ Để thắp sáng như hiện nay trên toàn thế giới, mỗi năm các nhà máy điện đã thải ra 1.900 nghìn tỷ tấn khí CO2, lớn gấp 3 lần lượng khí CO2 do máy bay trên toàn thế giới thải ra, bằng 70% lượng khí CO2 do toàn bộ xe ô tô thải ra trong 1 năm. + Năng lượng (energy - efficient lighting): nâng cao phẩm chất của ánh sáng, tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường.Yêu cầu chiếu sáng + Chiếu để mà sáng (lighting for light): những nỗ lực tìm kiếm những nguồn sáng tự nhiên để xua đi bóng tối. + Chiếu sáng tiện ích (high-benefit lighting), chiếu sáng hiệu quả. - LED (Light-Emitting-Diode) có nghĩa là diode phát sáng.
- Đèn LED là loại đèn mới nhất bổ sung vào danh sách các nguồn sáng sử dụng năng lượng hiệu quả. - Đèn LED đã được sử dụng trong nhiều ứng dụng chiếu sáng, bao gồm biển báo lối thoát, đèn tín hiệu giao thông, đèn dưới tủ, và nhiều ứng dụng trang trí khác. Cấu tạo và nguyên lý chiếu sáng của đèn led: Để tạo ra một sản phẩm đèn LED, về cơ bản cần có các yếu tố và thành phần như sau: a. Thiết kế: Việc thiết kế một sản phẩm đèn LED hoàn thiện đòi hỏi kiến thức chuyên sâu, am hiểu trong công nghệ đèn LED, lĩnh vực giải nhiệt và đặc điểm của các loại nguyên vật liệu.
Thiết kế quyết định 80% tuổi thọ và chất lượng của đèn LED nên việc thiết kế được thực hiện bởi các chuyên gia có kinh nghiệm. Các thiết kế phải được thử nghiệm kiểm chứng theo phương pháp thử quy chuẩn để có được thiết kế tối ưu nhất. Sản phẩm của chúng tôi được thiết kế với tuổi thọ tối thiếu 30,000 hrs. Chip LED: Việc sản xuất ra chip LED phụ thuộc nhiều vào công nghệ, chất lượng nguyên vật liệu cấu thành và cấp độ tuổi thọ của chip LED thành phẩm.
Chúng tôi sử dụng chip LED với tuổi thọ 70,000 hrs – 90,000 hrs. Việc sản xuất chip LED có tuổi thọ cao có chi phí rất cao, tuy nhiên các đặc tính chịu nhiệt, tạo màu sắc trung thực, độ ổn định màu lâu và tuổi thọ cao sẽ đem lại nhiều hiệu quả đầu tư cũng như trong quá trình sử dụng hơn. PCB tản nhiệt: Lớp nhôm nguyên chất tản nhiệt, lớp cách điện cấp 1, lớp dẫn điện, lớp cách điện cấp 2, lớp phủ bảo vệ, lớp phủ mạch in. Việc tính toán thiết kế chiều dày, nguyên vật liệu, cấp độ chịu nhiệt và tản nhiệt, cấp độ cách điện đòi hỏi phải có chuyên gia kinh nghiệm, các thử nghiệm và know-how để có PCB phù hợp với chip LED được sử dụng cũng như phù hợp với thiết kế tổng thể của một sản phẩm.
Kết cấu tản nhiệt: Các kết cấu liên quan đến tản nhiệt được làm bằng nhôm nguyên chất để bảo đảm tính dẫn nhiệt cao nhất có thể. Vật liệu làm bằng nhôm nguyên chất không bị biến đổi chất liệu vì nhiêt như các loại nhôm lẫn tạp chất trong quá trình hoạt động, do vậy có thể tái sử dụng trong vòng đời tiếp theo của đèn LED, giảm chi phí cho khách hàng, nhà xản xuất và xã hội. Ngoài ra việc thiết kế kết cấu tản nhiệt (chiều dày, kích thước tổng thể, kích thước cánh tản nhiệt, dung sai chế tạo, tính toán khe hở và hướng gió, tính toán khe hở liên kết giữa các kết cấu, …) có ảnh hưởng nhiều đến hiệu quả tản nhiệt và tuổi thọ chung của bóng đèn. Lens (thấu kính): Bộ phận này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả phát tán và lượng quang thông phát ra từ chip LED ra ngoài môi trường.
Chất lượng của loại lens được sử dụng ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ phát sáng và màu sắc ánh sáng của đèn LED ở cùng công suất. Bộ điều khiển: Mỗi đèn LED hoặc cụm đèn LED cần có bộ điều khiển, bảo đảm cung cấp đồng đều năng lượng đến từng bóng ở từng vị trí khác nhau trên bản mạch. Ngoài ra phải cung cấp đúng chế độ dòng phù hợp với chip LED được sử dụng, tốc độ giải nhiệt của thiết kế. Việc ổn định chế độ làm việc của bộ điều khiển sẽ bảo đảm các chip LED luôn tạo ra ánh sáng ổn định, yếu tố này kết hợp với chất lượng của chip LED sẽ tạo ra sự ổn định về màu sắc ánh sáng và cường độ ánh sáng trong thời gian dài.
Để có được bộ điều khiển tốt, cần phải sử dụng linh kiện điện tử chất lượng, có độ ổn định cao và đặt ở chế độ cân bằng tải phù hợp với thiết kế của đèn LED. Các bộ phận phụ: Là các cấu kiện còn lại như bộ gá, vành đỡ, chân đỡ,…. được thiết kế phù hợp với từng ứng dụng khác nhau. Các chi tiết này chủ yếu liên quan đến vấn đề thẩm mỹ, tính phù hợp lắp đặt theo ứng dụng, được sản xuất tại Việt Nam.
Cấu tạo: - Phần chủ yếu của LED là một mảnh nhỏ chất bán dẫn có pha tạp chất sao cho trong đó tạo ra được hai miền: Miền p dẫn điện bằng lỗ trống (hạt tải mang điện dương) và miền n dẫn điện bằng điện tử (hạt tải mang điện âm), giữa hai miền là lớp tiếp xúc p – n. Khối bán dẫn loại p chứa nhiều lỗ trống có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối bán dẫn loại n,cùng lúc khối bán dẫn loại p lại nhận electron từ khối bán dẫn loại n được chuyển sang. Kết quả hình thành ở khối p điện tích âm và khối n điện tích dương. - Dòng điện chỉ chạy theo chiều từ bán dẫn P sang bán dẫn N.
Ở giữa miền tiếp xúc giữa 2 lớp bán dẫn có ánh sáng phát ra, vì điểm phát sáng rất bé nên phía trên phải có dạng nửa hình cầu để có thể phát ánh sáng tán xạ trong phạm vi 180 độ về mọi hướng giúp người ta nhìn thấy nó. Phân cực thuận (phát sáng). Phân cực ngược (không phát sáng). - Các đặc trưng điện: + Thế phân cực thuận (Forward Voltage): Vf (V).
+ Dòng phân cực thuận (Forward Current): If (mA). + Dòng phân cực ngược (Reverse Curent) ở thế làm việc: Ir (μA). + Nhiệt độ làm việc của LED hay của lớp bán dẫn p-n: Top. + Công suất điện tiêu thụ (Consummation Power): P.
- Vật liệu chế tạo: + AllnGaP để tạo ra các LED phát ánh sáng đỏ, da cam hoặc vàng + GaN để tạo ra các LED phát ánh sáng xanh dương và xanh da lam Loại LED Điện thế phân cực thuận Đỏ 1.0 - Hoạt động của LED dựa trên công nghệ bán dẫn. Trong khối diode bán dẫn,electron chuyển từ trạng thái có mức năng lượng cao xuống trạng thái có mức năng lượng thấp hơn và sự chênh lệch năng lượng này được phát xạ thành những dạng ánh sáng khác nhau. Màu sắc của LED phát ra phụ thuộc vào hợp chất bán dẫn và đặc trưng bởi bước sóng của ánh sáng được phát ra. - Để có màu sáng khác nhau, người ta sẽ đưa thêm một số tạp chất khác nhau vào hoặc là trong lớp "nhựa" cho thêm các chất huỳnh quang màu sắc của ánh sáng đó - LED hay còn gọi là diot chiếu sáng (diot: hai điện cực).
Đúng như tên gọi, công nghệ LED là công nghệ chiếu sáng bằng hai điện cực với hỗ trợ của các loại vật liệu bán dẫn và công nghệ nano. - Quy trình chế tạo đèn LED trải qua hai giai đoạn chính là chế tạo tim đèn trước rồi gắn với hai điện cực tạo thành bóng đèn. Hai điện cực này có độ dài khác nhau, chân dài là anod (điện cực dương), ngắn hơn là catod (điện cực âm). - Tim đèn là phần nối giữa hai điện cực, gọi là LED chip, được làm bằng vật liệu bán dẫn.