KHẢO SÁT VÀ XÂY DỰNG HỆ ĐO ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG ĐẾN MỘT SỐ ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA LED

KHẢO SÁT VÀ XÂY DỰNG HỆ ĐO ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG ĐẾN MỘT SỐ ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA LEDCông nghệ đẻn LED đã và đang phát triển mạnh mẽ, đặc biệt là trong lĩnh vực quảng cáo và chiếu sáng. Đèn LED có nhiều ưu điểm hơn các loại đèn thông thường hiệu suất phát sáng cao, có nhiều màu sắc đẹp, tiết kiệm năng lượng, tuổi thọ cao, chịu được nắng mưa, va đập nhẹ. Do đó, có thể thấy được trong tương lai không xa, đèn LED sẽ là loại đèn thay thế cho các loại đèn phổ thông, hứa hẹn một thị trường lớn. Nhưng cũng như các loại đèn khác, hoạt động của LED cũng chịu ảnh hưởng bởi nhiều nhân tố tác động như dòng điện, môi trường. Vậy làm sao để biết được trong điều kiện như thế nào thì đèn LED hoạt động tối ưu với hiệu suất và thời gian sử dụng lâu nhất.

- -KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

KHẢO SÁT VÀ XÂY DỰNG HỆ ĐO

ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG ĐẾN MỘT SỐ ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA LED

-TP HỒ CHÍ MINH – 2013

Đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô trong bộ môn Vật lýĐiện tử Trong quá trình học chuyên ngành, tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình từcác thầy cô trong bộ môn Các thầy, cô đã cung cấp cho tôi những kiến thức cơ bản vàchuyên sâu, chuẩn bị cho tôi những nền tảng kiến thức vững chắc Qua đó, tôi đã thựchiện đề tài này khá tốt và là tiền đề cho các nghiên cứu sau này.

Tôi xin trân trọng gửi lời cám ơn sâu sắc đến ThS Vũ Thế Đảng đã hết sức tạođiều kiện, hướng dẫn, cung cấp tài liệu và các thiết bị để tôi có thể thực hiện tốt khóaluận này

Tôi xin gửi lời cảm ơn gia đình tôi đã lo lắng, ủng hộ và động viên tôi Cảm ơnnhững người bạn đã gắn bó và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập cũng như trongthời gian tôi thực hiện đề tài này

Xin chúc trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp Hồ Chí Minh, đặc biệt là bộ mônVật lý Điện tử, khoa Vật lý – Vật lý Kỹ thuật luôn được sự quan tâm đầu tư của nhànước, nhận được nhiều sự quan tâm để bộ môn ngày càng phát triển hơn

Tp Hồ Chí Minh, ngày 05 tháng 07 năm 2013

Sinh viên thực hiện

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT v

DANH SÁCH CÁC HÌNH vi

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU ix

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI 2

1.1 Mục tiêu 2

1.2 Nội dung 2

1.3 Phương pháp nghiên cứu 3

1.4 Những kết quả chính đạt được 3

1.5 Kế hoạch thực hiện 3

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 4

2.1 Tổng quan về LED 4

2.1.1 Lịch sử phát triển của LED 4

2.1.2 Ứng dụng của đèn LED 6

2.1.3 Quá trình thương mại hóa 7

2.1.4 Xu thế của tương lai 7

2.2 Các tiêu chuẩn đo kiểm LED 9

2.2.1 ANSI/IES RP-16 9

2.2.2 ANSI C78.377 11

2.2.3 IES LM-79-08 11

2.2.4 Một số tiêu chuẩn khác 12

2.3 Một số hệ đo quang học .13

2.3.1 Hệ Goniophotometer 13

2.3.2 Hệ Integrating Sphere .14

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 16

3.1 Lý thuyết về LED 16

3.1.3 Nguyên lý phát quang 18

3.1.3.1 Nguyên lý phát quang của LED thường 18

3.1.3.2 Nguyên lý phát quang của LED có cấu trúc MQW 19

3.1.4 Hiệu suất phát quang 20

3.1.5 Đặc tuyến IV của LED 21

3.1.6 Tuổi thọ của LED 22

3.1.7 Ảnh hưởng của các yếu tố đến hoạt động của LED 23

3.2 Phổ ánh sáng tự nhiên 25

3.3 Nguyên lý tiếp nhận ánh sáng của mắt người 26

3.4 Ánh sáng trắng 27

3.5 Nhiệt độ màu CCT 29

3.5.1 Khái niệm 29

3.5.2 Cách đọc biểu đồ CCT .30

3.6 Chỉ số hoàn màu CRI 31

3.6.1 Khái niệm 31

3.6.2 Thang bậc của chỉ số hoàn màu 32

3.6.3 Nhận biết chỉ số hoàn màu của một số nguồn sáng 33

3.7 Một số khái niệm khác trong đo kiểm quang học 34

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG HỆ ĐO CÁC THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG VÀ LED 35

4.1 Mô hình hệ đo .35

4.2 Hệ đo dạng cầu 36

4.2.1 Nguyên nhân chọn hệ đo dạng cầu 36

4.2.2 Các thành phần và cách bố trí hệ đo .37

4.3 Mạch điện tử sử dụng .38

4.3.1 Mạch nguồn cấp cho LED và mạch điều khiển .38

4.3.2.2 Mạch kết nối và cách giao tiếp với vi điều khiển .40

4.3.3 Mạch đo độ ẩm sử dụng cảm biến DHT11 41

4.3.3.1 Giới thiệu về cảm biến độ ẩm DHT11 41

4.3.3.2 Mạch kết nối và cách giao tiếp với vi điều khiển .42

4.3.4 Mạch đo cường độ ánh sáng sử dụng quang trở .44

4.3.4.1 Giới thiệu về quang trở .44

4.3.4.2 Mạch kết nối với vi điều khiển .45

4.3.5 Mạch đo điện áp và cường độ dòng điện .47

4.3.6 Mạch xử lý và điều khiển các thiết bị .48

4.4 Thiết kế phần mềm điều khiển và hiển thị kết quả .48

4.4.1 Chương trình trên vi điều khiển 48

4.4.2 Giao diện người dùng bằng Visual Basic 49

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ KHẢO SÁT ĐẶC TUYẾN I-V VÀ ĐỘ RỌI CỦA LED 51

5.1 Đặc tuyến I-V của một số loại LED .51

5.1.1 Thiết bị đo đặc tuyến 51

5.1.2.Khảo sát đặc tuyến I-V của các LED khả kiến 52

5.2 Nhiệt độ màu và các thông số khác của một số LED .55

5.2.1 Nhiệt độ màu của LED trắng .55

5.2.2 Nhiệt độ màu của LED lục .59

5.2.3 Nhiệt độ màu của LED đỏ .63

4.2.4 Nhiệt độ màu của LED vàng 67

5.3 Các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến hoạt động của LED 71

5.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ 71

5.3.1.1 Kết quả đo LED màu đỏ 71

5.3.1.2 Kết quả đo LED màu lục 72

5.3.2 Ảnh hưởng của độ ẩm 75

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ 76

6.1 Các nội dung đã thực hiện 76

6.2 Kết luận .76

6.3 Hạn chế 76

6.4 Hướng phát triển 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

MQW Multiple Quantum Well

SSL Solid State Lighting

ANSI American National Standards Institute

IES Illuminating Engineering Society

NEMA National Eleectrical Manufacturers AssociationANSLG American National Standard Lighting Group

IESNA Illuminating Engineering Society of North AmericaCCT Correlated Color Temperature

CRI Color Rendering Index

Hình 2.2 Ứng dụng của LED đơn sắc trong đời sống 6

Hình 2.3 LED trắng ứng dụng chiếu sáng 6

Hình 2.4 Thống kê và dự đoán thị trường LED trong tương lai (Yole Développement) 8 Hình 2.5 Một số loại đèn LED theo định nghĩa của tiêu chuẩn ANSI/IES RP-16 10

Hình 2.6 Các điểm và vùng trên biểu đồ CCT theo tiêu chuẩn ANSI C78.377 11

Hình 2.7 Tiêu chuẩn IES LM-79-08 12

Hình 2.8 Cấu trúc của hệ Goniophotometer 13

Hình 2.9 Các thành phần của hệ Integrating sphere 15

Hình 3.1 Cấu tạo của đèn LED 16

Hình 3.2 Cấu trúc MQW của một số LED 17

Hình 3.3 Minh họa sự tái hợp của electron và lỗ trống 18

Hình 3.4 Nguyên lý hoạt động của LED thường 18

Hình 3.5 Nguyên lý hoạt động của LED có cấu trúc MQW 19

Hình 3.6 Đặc tuyến I-V của chuyển tiếp p – n khi phân cực thuận 22

Hình 3.7 Tuổi thọ của LED so với một số loại đèn khác 23

Hình 3.8 Tuổi thọ của LED phụ thuộc vào nhiệt độ 24

Hình 3.9 Tuổi thọ của LED phụ thuộc vào dòng qua LED 25

Hình 3.10 Quang phổ ánh sáng tự nhiên 26

Hình 3.11 Cấu tạo của mắt và sơ đồ võng mạc gồm các cơ quan thụ cảm hình que và hình nón 27

Hình 3.12 Bước sóng đơn sắc bổ sung để thu được ánh sáng trắng với 1 tỷ lệ công suất nhất định 28

Hình 3.13 Biểu đồ màu x, y theo chuẩn CIE 1931 thể hiện độ kết tủa màu của nguồn sáng phát ra từ vật đen ở các nhiệt độ khác nhau, và các vạch của hằng số nhiệt độ màu 31

Hình 4.2 Ánh sáng chiếu vào hệ cầu được tán xạ nhiều lần 36

Hình 4.3 Hai cách bố trí đèn trong hệ đo dạng cầu 37

Hình 4.4 Cách đặt các quang trở trong hệ đo cầu 38

Hình 4.5 Hình dạng cảm biến DS18B20 39

Hình 4.6 Sơ đồ kết nối cảm biến DS18B20 với vi điều khiển 41

Hình 4.7 Hình dạng cảm biến độ ẩm DHT11 42

Hình 4.8 Sơ đồ kết nối cảm biến DHT11 với vi điều khiển 43

Hình 4.9 Hình dạng của quang trở 44

Hình 4.10 Sự phụ thuộc của giá trị điện trở vào cường độ ánh sáng được chiếu tới 45

Hình 4.11 Sơ đồ kết nối quang trở với bộ ADC của vi điều khiển 46

Hình 4.12 Sơ đồ đo điện áp và dòng qua LED 47

Hình 4.13 Mạch khuếch đại vi sai 47

Hình 4.14 Lưu đồ thuật toán của chương trình trong vi điều khiển 49

Hình 4.15 Giao diện người dùng sử dụng trong đo kiểm LED 50

Hình 5.1 Hệ Semiconductor Characterization System - Model 4200-SCS của hãng Keithley Instruments tại SHTP labs 51

Hình 5.2 Kết quả đo LED trắng từ hệ Semiconductor Characterization System - Model 4200-SCS 51

Hình 5.3 Đặc tuyến I-V của LED màu lam, lục, đỏ và trắng có công suất 1W 52

Hình 5.4 Đặc tuyến I-V của LED màu lam, lục, đỏ và trắng có công suất 3W 52

Hình 5.5 Đặc tuyến I-V của LED màu lam có công suất 1W và 3W 53

Hình 5.6 Đặc tuyến I-V của LED màu lục có công suất 1W và 3W 53

Hình 5.7 Đặc tuyến I-V của LED màu đỏ có công suất 1W và 3W 54

Hình 5.8 Đặc tuyến I-V của LED màu trắng có công suất 1W và 3W 54

Hình 5.9 Bước sóng đo được của LED trắng với dòng 350mA 56

Hình 5.10 Bước sóng đo được của LED trắng với dòng 600mA 58

Hình 5.13 Bước sóng đo được của LED đỏ với dòng 350mA 64

Hình 5.14 Bước sóng đo được của LED đỏ với dòng 600mA 66

Hình 5.15 Bước sóng đo được của LED vàng với dòng 350mA 68

Hình 5.16 Bước sóng đo được của LED vàng với dòng 600mA 70

Hình 5.17 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến dòng qua LED màu đỏ với điện áp 2.5V 71

Hình 5.18 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ rọi của LED màu đỏ với điện áp 2.5V 71

Hình 5.19 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến dòng qua LED màu lục với điện áp 3V 72

Hình 5.20 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ rọi của LED màu lục với điện áp 3V 72

Hình 5.21 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến dòng qua LED màu lam với điện áp 3.5V 73

Hình 5.22 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ rọi của LED màu lam với điện áp 3.5V 73

Hình 5.23 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến dòng qua LED màu trắng với điện áp 3.5V 74

Hình 5.24 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ rọi LED màu trắng với điện áp 3.5V 74

chuẩn CIE về nguồn sáng D65 và theo tiêu chuẩn CIE 1964 28

Bảng 3.2 Nhiệt độ màu của một số nguồn sáng 30

Bảng 3.3 Chỉ số hoàn màu và nhiệt độ màu của một số nguồn sáng 33

Bảng 5.1 Kết quả đo LED trắng với dòng 350mA 55

Bảng 5.2 Kết quả đo LED trắng với dòng 600mA 57

Bảng 5.3 Kết quả đo LED lục với dòng 350mA 57

Bảng 5.4 Kết quả đo LED lục với dòng 600mA 57

Bảng 5.5 Kết quả đo LED đỏ với dòng 350mA 55

Bảng 5.6 Kết quả đo LED đỏ với dòng 600mA 57

Bảng 5.7 Kết quả đo LED vàng với dòng 350mA 57

Bảng 5.8 Kết quả đo LED vàng với dòng 600mA 57

LỜI NÓI ĐẦU



Công nghệ bán dẫn, công nghiệp vật liệu ngày càng phát triển không ngừng và đangdần khẳng định tầm quan trọng trong đời sống hiện nay Con người với trình độ tri thứccủa mình đã mở ra những giới hạn mới, khám phá ra những loại vật liệu mới, những kỹthuật, công nghệ mới và áp dụng lên chúng để tạo ra những sản phẩm có hàm lượng trithức và tính ứng dụng cao trong nhiều ngành, nhiều lĩnh vực Một trong số đó phải kểđến sự ra đời và phát triển của các LED khả kiến

Công nghệ đẻn LED đã và đang phát triển mạnh mẽ, đặc biệt là trong lĩnh vựcquảng cáo và chiếu sáng Đèn LED có nhiều ưu điểm hơn các loại đèn thông thườnghiệu suất phát sáng cao, có nhiều màu sắc đẹp, tiết kiệm năng lượng, tuổi thọ cao, chịuđược nắng mưa, va đập nhẹ Do đó, có thể thấy được trong tương lai không xa, đènLED sẽ là loại đèn thay thế cho các loại đèn phổ thông, hứa hẹn một thị trường lớn Nhưng cũng như các loại đèn khác, hoạt động của LED cũng chịu ảnh hưởng bởinhiều nhân tố tác động như dòng điện, môi trường Vậy làm sao để biết được trongđiều kiện như thế nào thì đèn LED hoạt động tối ưu với hiệu suất và thời gian sử dụnglâu nhất

Để nghiên cứu các tính chất của LED như các đặc tính về điện và quang học Trongphạm vi đề tài này, tập trung nghiên cứu về nguyên lý phát quang, các đại lượng vật lý

về quang học, thiết kế mô hình sử dụng trong đo lường các tính chất của LED, đo thực

tế các đại lượng vật lý quang học, so sánh, rút ra nhận xét về các ảnh hưởng của cácyếu tố lên hoạt động của LED, từ đó đưa ra các hướng dẫn trong việc sử dụng

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI 1.1 Mục tiêu

Tìm hiểu về lịch sử phát triển, ứng dụng và tương lai phát triển của LED (LightEmitting Diode) Giới thiệu một số tiêu chuẩn trong đo kiểm ánh sáng và các hệ đo sử

dụng trong các tiêu chuẩn đó

Hiểu về cơ chế phát quang của diode phát quang, cùng với các quá trình tái hợp

và các phương trình vật lý liên quan Nắm được nguyên lý cảm nhận ánh sáng của mắtngười và đặc tính quang và điện của LED

Đo lường đặc tuyến của một số loại LED trên thị trường

Khảo sát sự thay đổi các yếu tố môi trường, cách sử dụng ảnh hưởng đến hoạtđộng, hiệu suất và tuổi thọ của LED

Thiết kế hệ đo sử dụng trong đo kiểm LED và các loại đèn khác

1.2 Nội dung

Chương 1: Giới thiệu về đề tài Giới thiệu nội dung cũng như mục tiêu nghiêncứu và các phương pháp để thực hiện, kết quả đạt được và kế hoạch thực hiện đề tài.Chương 2: Tổng quan Tìm hiểu về LED trong đó nói về lịch sử của các LEDSiC, LED xanh dương, xanh lá dựa trên bán dẫn GaInN, LED phát ra ánh sáng thấyđược dùng AlGaInP Các ứng dụng của LED trong đời sống hằng ngày và tương laitrong ngành công nghiệp chế tạo LED Chương này cũng đưa ra một số tiêu chuẩnquốc tế trong đo kiểm ánh sáng đèn LED và các hệ đo sử dụng cho các tiêu chuẩn này.Chương 3: Lý thuyết về LED Trình bày cấu trúc của LED thường và LED có cấutrúc MQW (Multiple Quantum Well) Nói về lý thuyết tái hợp nói về sự tái hợp bức xạcủa electron và lỗ trống, tái hợp bức xạ với mức kích thích thấp, tái hợp bức xạ ở mứckích thích cao cùng với kiến thức về giếng lượng tử và các phương trình vật lý liênquan Các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến hoạt động và tuổi thọ của LED Trình bàyquang phổ ánh sáng tự nhiên, nguyên lý nhận ánh sáng của mắt người, đặc tính điện vàquang của LED

Chương 4: Thiết kế hệ đo Chương này trình bày cấu tạo của hệ đo, các linh kiện

sử dụng Trình bày các phần mềm điều khiển và hiển thị giá trị đo được

Chương 5: Kết quả Đưa ra các kết quả đo về đặc tuyến của một số loại LED.Ảnh hưởng của yếu tố môi trường lên hoạt động của LED

Chương 6: Kết luận Rút ra kết từ nghiên cứu và đưa ra một số giải pháp sử dụngLED hiệu quả

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Tìm hiểu lý thuyết về diode phát quang qua các tài liệu

Thiết kế hệ đo để đo được ảnh hưởng của các điều kiện lên hoạt động của LED

1.4 Những kết quả chính đạt được

Lý thuyết về phát quang của LED

Đặc tuyến của một số loại đèn LED trên thị trường

Các thông số về màu sắc và quang học của LED

Các thay đổi của LED khi hoạt động ở những điều kiện khác nhau

1.5 Kế hoạch thực hiện

Đề tài được thực hiện từ tháng 1/2013 đến tháng 6/2013 với kế hoạch như sau:

- Tìm hiểu lý thuyết về các tiêu chuẩn đo kiểm quang học, linh kiện bán dẫn vàdiode phát quang: 1/2013

- Đo các đặc tuyến bán dẫn của LED: 2/1013

- Thiết kế hệ đo dùng để đo kiểm LED: 3-4/2013

- Thực hiện đo các thông số của LED ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường:5/2013

- Soạn thảo hoàn chỉnh đề tài: 6/2013

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan về LED

2.1.1 Lịch sử phát triển của LED

Vào năm 1907, Henry Joseph Round ở phòng thí nghiệm Marconi phát hiện ra

hiện tượng biến điện thành ánh sáng đầu tiên bằng cách dùng 1 dây dẫn và tinh thểSilic carbide (SiC) Nhà nghiên cứu người Nga Oleg Vladimirovich Losev, công bố lầnđầu tiên đã tạo ra LED trên tạp chí khoa học Nga, Đức và Anh Tuy nhiên LED khôngđược thực tế hóa trong những thập kỷ kế tiếp

Năm 1955, Rubin Braunstein từ Radio Corporation of America, phát hiện có bức

xạ hồng ngoại trên hợp chất GaAs và các hợp chất khác Braunstein đã thí nghiệm trêncác điốt GaSb, GaAs, indium phosphide (InP), và silicon-germanium (SiGe) ở nhiệt độphòng và ở 77 độ K

Năm 1961, các nhà thí nghiệm người Mỹ Robert Biard và Gary Pittman, làmviệc ở Texas Instruments, cũng phát hiện GaAs phát ra tia hồng ngoại khi có dòng điệnchạy qua và đã nhận bằng phát minh LED hồng ngoại

Hình 2.1 Lịch sử phát triển của đèn LED

Năm 1962 LED đầu tiên phát ra ánh sáng có thể nhìn thấy là loại LED đỏ, doNick Holonyak, Jr phát hiện, khi đang làm việc cho cho công ty General Electric.Holonyak đã báo cáo hiện tượng này trong lá thư anh gởi cho tạp chí Applied PhysicsLetters 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 raLED vàng đầu tiên và đã cải thiện thêm độ sáng lên 10 lần cho LED đỏ cũng như LEDđỏ-cam vào năm 1972

Vào năm 1976, T P Pearsall lần đầu tiên đã tạo ra LED công suất cao, hiệu suấtcao cho cáp quang nhờ vào việc sáng chế ra vật liệu bán dẫn mới có khả năng phát rasóng điện từ phù hợp cho cáp quang

LED xanh da trời làm từ InGaN được phát minh đầu tiên do Shuji Nakamura củacông ty Nichia Corporation vào năm 1994 Hai kỹ thuật mấu chốt là cấy GaN trên lớpnền Saphia và tạo lớp bán dẫn P từ GaN (do Isamu Akasaki và H Amano phát triển ởNagoya)

Năm 1995, Alberto Barbieri tại phòng thí nghiệm ĐH Cardiff đã nghiên cứu vàgiới thiệu LED “tiếp xúc trong suốt” có công suất, hiệu suất cao bằng cách dùng Indithiếc ôxít (indium tin oxide) Sự ra đời của LED xanh da trời cộng với LED hiệu suấtcao nhanh chóng dẫn đến sự ra đời LED trắng đầu tiên dùng Y3Al5O12:Ce Hợp chấtnày có tên khác là YAG, là lớp phủ để trộn ánh sáng vàng với ánh sáng xanh da trờicho ra ánh sáng trắng Năm 2006, Nakamura được trao giải thưởng “công nghệ thiênniên kỷ” cho phát minh này

Hiệu suất, công suất của LED tăng theo hàm mũ, gấp đôi sau mỗi 3 năm kể từnăm 1960, tương tự như định luật Moore Sự phát triển LED nói chung đã đóng gópcho sự phát triển song song giữa các công nghệ bán dẫn, khoa học vật liệu và quanghọc Người ta đã đặt tên nó là định luật Haitz, lấy từ tên của tiến sĩ Roland Haitz

Năm 2001 và 2002, quy trình cấy GaN lên chất nền SiO2 được hiện thực Tháng 1năm 2012, LED công suất lớn theo công nghệ này được thương mại hóa

2.1.2 Ứng dụng của đèn LED

Với các ưu điểm như ánh sáng lớn, độ bền cao và ít tiêu tốn điện năng lượng,

LED được ứng dụng rộng rãi trên các lĩnh vực: bảng quảng cáo ngoài trời , bảng quangbáo, hệ thống đèn giao thông, biển chỉ dẫn, và các sản phẩm khác như bảng chạy chữđiện tử, bảng hệ thống giờ… Việc sử dụng rộng rãi thiết bị chiếu sáng bằng loại đènnày có thể giúp tiết kiệm được nhiều năng lượng

Hình 2.2 Ứng dụng của LED đơn sắc trong đời sống

Hiện tại đèn LED trắng có tuổi thọ tới 50.000 giờ sử dụng, gấp 50 lần so với bóngđèn 60W Điều này nghĩa là bóng đèn LED có thể thắp sáng liên tục trong vòng 6 năm

2.1.3 Quá trình thương mại hóa

LED đầu tiên được thương mại hóa để thay thế cho đèn chỉ thị làm bằng đèn dâytóc, neon và màn hình bảy đoạn Đầu tiên là các thiết bị mắc tiền trong phòng thínghiệm Sau đó là tivi, rađiô, điện thoại, máy tính và thậm chí là đồng hồ Đến năm

1968, LED cực kì mắc, cỡ 200 đôla Mỹ mà lại ít ứng dụng Năm 1968, Công tyMonsanto là công ty đầu tiên sản xuất LED hàng loạt dùng gali asen phốt pho(GaAsP) Năm này, Hewlett Packard cũng giới thiệu LED làm từ GaAsP do công tyMonsanto cung cấp Các LED này là LED đỏ và có thấu kính nhựa đi kèm trên từngchữ số để có thể dùng trong màn hình máy tính và chỉ đủ sáng để làm đèn chỉ thị Thờigian sau đó thì LED vàng, cam cũng trở nên phổ biến Năm 1970, LED thật sự đãđược thương mại hóa thành công khi công ty Fairchild Semiconductor bán ra thịtrường 5 xu Mỹ cho mỗi bóng LED Công ty này đã sản xuất bằng quy trình Planar dotiến sĩ Jean Hoerni phát minh khi làm việc cho họ Sự kết hợp giữa quy trình Planar vàcác phương pháp đóng gói giúp nhóm trưởng Thomas Brandt của công ty Fairchild đã

có được khả năng giảm thiểu giá thành cần thiết Các phương pháp này vẫn được cáccông ty dùng để sản xuất LED hiện nay

Ngành công nghệ vật liệu cho LED đã phát triển ngày càng mạnh mẽ Công suấtngày càng tăng nhưng hiệu suất, độ tin cậy vẫn đạt được mức có thể chấp nhận Việcphát minh và phát triển LED trắng công suất cao nhanh chóng thay thế đèn dây tóc,đèn huỳnh quang LED ngày nay đa số là cỡ 5mm T1¾ và 3mm T1 Tuy nhiên, xuhướng công suất ngày càng lớn nên các kiểu đóng gói khác cũng được phát triển để đápứng yêu cầu tỏa nhiệt LED công suất cao ngày nay cấu trúc bên trong rất phức tạpnhưng bề ngoài thì như các LED thời ban đầu

2.1.4 Xu thế của tương lai

Trong việc tiết giảm năng lượng, đèn LED vượt lên trên các loại bóng đèn thôngthường và trong vòng 15 đến 20 năm nữa sẽ thay thế các loại đèn khác trong dịch vụthắp sáng toàn cầu, hứa hẹn một thị trường thắp sáng khổng lồ gần cả ngàn tỷ USD

Theo các báo cáo về thị trường thắp sáng toàn cầu, thị trường đèn LED đã đạtđược 3,2 tỷ USD trong năm 2004 và đạt mức 5,6 tỷ USD vào năm 2008 Các con sốnày, tuy còn nhỏ so với con số 200 tỷ USD của công nghệ bán dẫn vi mạch trong năm

2005 nhưng công nghệ LED trắng hứa hẹn những đột phá to lớn có thể mang đến mộtthị trường lớn hơn thị trường bán dẫn vi mạch truyền thống trong tương lai

Hình 2.4 Thống kê và dự đoán thị trường LED trong tương lai (Yole Développement)

Một đặc điểm khác của đèn LED là ít tiêu hao năng lượng và không nóng Cácloại đèn truyền thống như neon, halogen đều cần từ 110-220V mới cháy, trong khiđèn LED trắng chỉ cần từ 3-24V Tính ít tiêu hao năng lượng khiến đèn LED có thể sửdụng ở vùng sâu, vùng xa mà không cần nhà máy phát điện công suất cao, ít gây hỏahoạn do điện ít bị chập mạch Đèn LED trắng có thể sử dụng với pin mặt trời, nănglượng gió

Thời gian chiếu sáng của đèn LED trắng tới 100.000 giờ, tiêu thụ điện ít hơn 10lần so với bóng điện thông dụng hiện nay, đó là những ưu thế nổi bật của đèn LED.

2.2 Các tiêu chuẩn đo kiểm LED

Cách đây 6-7 năm, thế giới không có một tiêu chuẩn để đánh giá kĩ thuật chiếusáng bằng chất rắn (SSL) Sau đó bộ năng lượng của Mĩ (DOE) đã nhận thấy tầm quantrọng của kĩ thuật chiếu sáng này nên đã kêu gọi các đại diện của ngành công nghiệpLED và chiếu sáng truyền thống như ANSI, IES, NEMA… để phát triển những tiêuchuẩn để đánh giá đèn LED

2.2.1 ANSI/IES RP-16

Mục đích của tiêu chuẩn này là thiết lập những định nghĩa cho những thiết bị sửdụng kĩ thuật chiếu sáng bằng chất rắn và cấu tạo của chúng Quy định chung trongviệc sử dụng các thuật ngữ của phương pháp SSL Một số thuật ngữ về LED được quyđịnh trong tiêu chuẩn ANSI/IES RP16:

- Diode phát quang (LED) – Một thiết bị bán dẫn có tiếp giáp pn, có khả năng

phát ra ánh sáng khi được phân cực thuận Hiệu suất là một hàm phụ thuộc vào cấutrúc, vật liệu sử dụng và dòng kích thích Có thể phát ra các bước sóng trong vùng cựctím, khả kiến hoặc vùng hồng ngoại

- LED die – Một khối nhỏ của vật liệu bán dẫn mà trên đó có một mạch chức

năng được tích hợp

- Nguồn điện – Một biến thế cung cấp điện, pin, hoặc thiết bị khác có khả năng

cung cấp dòng điện, điện thế hoặc năng lượng bên trong tiết diện của nó Thiết bịkhông bao gồm bộ điều khiển

- Bộ cấp nguồn – Một thiết bị điện có thể điều khiển dòng điện, điện áp hoặc

công suất bên trong tiết diện của nó

- Bộ đèn LED – Một bộ LED chiếu sáng hoàn chỉnh bao gồm một nguồn sáng và

bộ đóng ngắt gắn với nhau với những phần để phân bổ đều ánh sáng và bảo vệ nguồnsáng Kết nối nguồn sáng với một mạch điện Nguồn sáng ở đây có thể là một hàng

LED, một môđun LED, hoặc một bóng đèn LED Bộ đèn LED thì có khả năng kết nốitrực tiếp với một mạch điện.

- LED được đóng gói – Một bộ gồm một hoặc nhiều LED dies trong đó gồm có

những dây dẫn kết nối với nhau, có thể có một phần tử quang học và nhiệt độ, cơ học,

và bề mặt điện Thiết bị không bao gồm nguồn điện, và không thể kết nối trực tiếpđược với mạch điện

- Chuỗi LED – Một bộ LED được đóng gói trên một bảng mạch hoặc bề mặt nào

đó, có thể với phần tử quang học và thêm vào phần tử về nhiệt, cơ học, và bề mặt điện.Thiết bị không bao gồm một nguồn điện, và không thể kết nối trực tiếp với bảng mạch

- Modun LED – Một tập hợp các thành phần của một nguồn sáng LED trong đó

gồm có một hoặc nhiều đèn LED kết nối với nhau và với nguồn điện

- Bóng đèn LED, không tích hợp – Một bóng đèn với những bóng LED bên trong,

không được tích hợp công tắc hoặc nguồn điện và được thiết kế để kết nối với một bộđèn LED

- Bóng đèn LED, được tích hợp – một bóng đèn với những bóng LED bên trong,

và được thiết kế để kết nối với mạch điện

Hình 2.5 Một số loại đèn LED theo định nghĩa của tiêu chuẩn ANSI/IES RP-16.

2.2.2 ANSI C78.377

Là một tiêu chuẩn được phát triển bởi ANSI, ANSLG, NEMA trong năm 2008 đểchuẩn hóa việc mô tả sắc thái màu của LED và các thiết bị chiếu sáng bằng phươngpháp SSL Tiêu chuẩn này dựa trên tiêu chuẩn cho ánh sáng huỳnh quang Nó thiết lập

8 điểm và 8 vùng tương ứng của mỗi điểm đó trên biểu đồ nhiệt độ màu CCT để đánhgiá màu sắc của nguồn sáng Tiêu chuẩn này đã được thông qua bởi Cree cũng như hầuhết các tổ chức khác để mô tả màu của sản phẩm LED 8 điểm và vùng trên biểu đồmàu CCT được thể hiện trong hình 2.6

Hình 2.6 Các điểm và vùng trên biểu đồ CCT theo tiêu chuẩn ANSI C78.377

Tiêu chuẩn này cung cấp một cái nhìn qua về các đặc tính hoạt động của LEDtrong những điều kiện được quy định, tại những thời điểm trong suốt thời gian sử dụng.Tiêu chuẩn này không đánh giá về tuổi thọ, những biến đổi về quang thông theo thờigian sử dụng…

Hình 2.7 Tiêu chuẩn IES LM-79-08

LM-79-08 được áp dụng cho các sản phẩm đèn LED tích hợp, như bóng đèn LED

và đèn thay thế (những loại LED chỉ cần cấp nguồn để hoạt động) Nó không được ápdụng đối với các LED được đóng gói, module LED (ở đây có thể hiểu là các loại LEDcần thêm mạch điện và bộ tản nhiệt)

Tiêu chuẩn này thường sử dụng các phương pháp đo như Goniophotometer vàIntegrating Sphere

2.2.4 Một số tiêu chuẩn khác

Ngoài các tiêu chuẩn nêu trên, để đánh giá chất lượng của đèn LED, các tổ chứccòn đưa ra một số tiêu chuẩn khác như IES LM-80-08, IES TM-21-11, IES LM-82-11,UL8750, LSD-45… các tiêu chuẩn này đánh giá các tiêu chí cụ thể hơn, nhưng cũngvẫn dựa trên nền tảng của ANSI/IES RP-16, ANSI C78.377, IES LM-79-08

2.3 Một số hệ đo quang học.

2.3.1 Hệ Goniophotometer

Goniophotometer là một dụng cụ dùng cho việc đo lường ánh sáng được phát ra

từ một vật theo các góc khác nhau Vì ánh sáng của các nguồn sáng không được phân

bố đều trong không gian

Hình 2.8 Cấu trúc của hệ Goniophotometer.

Hệ Goniophotometer có độ ổn định cao do nguồn sáng được giữ ở vị trí cố định

so với thiết bị đo nên tránh được sự bất ổn định khi di chuyển các thiết bị đo xungquanh Phạm vi hoạt động rất năng động xung quanh nguồn sáng, có thiết kế sử dụng 2gương phản chiếu và 2 đầu dò cùng lúc

Goniophotometer được dùng để mô tả đặc điểm phân bố trong không gian củanguồn sáng Nó có 1 tấm gương có thể di chuyển xung quanh một ngồn sáng và phảnchiếu lại ánh sáng tới một đầu dò để đo cường độ ánh sáng theo những góc khác nhau Goniophotometer có thể được sử dụng để đo được quang thông và hiệu suất,nhưng không thể đo được các thông số về màu sắc như nhiệt độ màu (CCT) và độ hoànmàu (CRI).

Việc sử dụng hệ đo Goniophotometer càng gia tăng trong những năm gần đâycùng với sự phát triển của đèn LED

2.3.2 Hệ Integrating Sphere.

Là một hệ đo quang học bao gồm một khối cầu rỗng được phủ một lớp phảnchiếu màu trắng bên trong, có các lỗ nhỏ để đưa các thiết bị đo đạc vào Khi có mộtnguồn sáng bên trong hệ, tia tới của nguồn sáng chiếu vào bất kỳ điểm nào trên bề mặtbên trong của hệ đều bị phản xạ lại và như vậy ánh sáng được phân bố đều cho tất cảcác điểm Do đó ảnh hưởng của hướng ban đầu của nguồn sáng được giảm thiểu

Dựa trên lý thuyết về sự phản chiếu và khuếch tán của ánh sáng (định luậtLambert Cosine), hệ Integrating Sphere được sử dụng để đo thông lượng mà nguồnsáng chiếu tới Tính hiệu quả của một hệ Integrating Sphere được quyết định bởi nhiềuyếu tố trong đó quan trọng nhất là hệ số phản xạ và khuếch tán tự nhiên của lớp phủ bềmặt bên trong của hệ

Hình 2.9 Các thành phần của hệ Integrating sphere.

Hệ Sphere được sử dụng để đo đạc một số nguồn sáng khác nhau và trở thànhmột hệ tiêu chuẩn trong trắc quang Nó có nhiều ưu điểm trong đo kiểm hơn hệGoniophotometer

Integrating Sphere có một số tính năng, bao gồm:

- Khả năng gom ánh sáng từ nguồn sáng bên trong hoặc bên ngoài

- Không làm thay đổi nguồn sáng

- Đo lường được laser có công suất lớn

- Đo lường quang phổ và thông lượng của LED

- Đo lường tổng hệ số truyền hoặc chỉ hệ số khuếch tán

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1 Lý thuyết về LED

3.1.1 Cấu trúc của LED

Hình 3.1 Cấu tạo của đèn LED LED ( Light Emitting Diode) là các diode có khả năng phát ra ánh sáng khả

kiến hay tia hồng ngoại, tử ngoại Cũng giống như điốt, LED được cấu tạo từ mộtkhối bán dẫn loại p ghép với một khối bán dẫn loại n Bán dẫn loại p có tạp chất là cácnguyên tố thuộc nhóm III, dẫn điện chủ yếu là lỗ trống, mang điện tích dương Bándẫn loại n có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm V, dẫn điện chủ yếu là điện tử,mang điện tích âm Khi bán dẫn loại p tiếp xúc với bán dẫn loại n thì các lỗ trống cókhuynh hướng chuyển động khuếch tán sán bán dẫn loại n, cùng lúc bán dẫn loại pnhận them điện tử từ bán dẫn loại n chuyển qua Do đó bán dẫn loại p tích điện âm(thiếu lỗ trống và dư điện tử) trong khi đó bán dẫn loại n tích điện dương (thiếu điện tử

và dư lỗ trống)

Ngoài cấu trúc chuyển tiếp p-n, nhờ sự tiến bộ của công nghệ một số loại LEDcòn có thêm một vùng đặc biệt so với các LED thông thường, vùng này có nhiệm vụphát xạ các loại bước sóng khác nhau, đó là cấu trúc đa giếng lượng tử (MQW).

Hình 3.2 Cấu trúc MQW của một số LED

3.1.2 Sự tái hợp của lỗ trống và electron

Bất cứ bán dẫn nào đều có 2 loại hạt tải tự do, electron và lỗ trống Dưới điềukiện cân bằng, không có các kích thích bên ngoài như ánh sáng hay dòng điện:

Hình 3.3 Minh họa sự tái hợp của electron và lỗ trống.

Hệ số tái hợp:

R = -= - = Bnp (3.3)Hằng số tỷ lệ B được gọi là hệ số tỷ lệ tái hợp lưỡng phân tử Nó có giá trị 10-11-

10-9cm3/s đối với bán dẫn III-V

3.1.3 Nguyên lý phát quang

3.1.3.1 Nguyên lý phát quang của LED thường

Hình 3.4 Nguyên lý hoạt động của LED thường.

Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp p-n, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khichúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tửtrung hòa Tùy theo độ rộng khe năng lượng (energy band gap) của môi trường bán

dẫn,photon được phát ra ngoài có bước sóng là hồng ngoại, ánh sáng khả kiến hay tửngoại.

3.1.3.2 Nguyên lý phát quang của LED có cấu trúc MQW

Khi được kích hoạt, các lỗ trống trong lớp bán dẫn loại p khuếch tán xuống cáclớp giếng lượng tử, đồng thời các điện tử trong lớp bán dẫn loại n cũng khuếch tán vàocấu trúc đa giếng lượng tử Tại đây chúng bị giam giữ trong các lớp giếng và bị kíchthích lên các mức năng lượng cao hơn Sau đó chuyển về trạng thái các mức nănglượng thấp và phát xạ ra photon

Hệ quả của việc giam giữ điện tử và lỗ trống trong các lớp giếng rất mỏng lànhững phần tử đó sẽ hoạt động như các hạt trong giếng thế Do đó, thay vì ở trạng tháiliên tục trong vùng dẫn, những điện tử đó bị gia giữ ở trạng thani1 lượng tử gián đoạntrong vùng cấm của vật liệu Tương tự, các trạng thái trong vùng hóa trị của lỗ trống bịhạn chế đối với những mức gián đoạn trong giếng lượng tử Sự hình thành các trạngthái lượng tử gián đoạn trong vùng cấm hẹp làm thay đổi khe năng lượng vật liệu, vàlàm thay đổi năng lượng photon phát ra bằng cách kiểm soát độ dày của khe nănglượng hẹp của vật liệu

Hình 3.5 Nguyên lý hoạt động của LED có cấu trúc MQW

Một giếng lượng tử đủ lớn, có thể giam giữ những hạt tải bên trong chính nó khiphân cực thuận Có thể sử dụng các giếng lượng tử để hạn chế sự phát xạ để chỉ xảy ra

dụng cấu trúc đa giếng lượng tử để tăng cường sự giam giữ các hạt tải Một cấu trúcgiếng lượng tử có thể chứa nhiều hạt tải và phát ra năng lượng cao.

3.1.4 Hiệu suất phát quang

Trong những năm 1960, hợp chất GaAs, GaAsP phát ánh sáng đỏ với hiệu suấtrất nhỏ, cứ 1000 điện tử thì mới phát ra một photon Hiệu suất chỉ có 0,1% vì sự phốihợp giữa điện tử và lỗ trống không hiệu quả Có trường hợp sự tái hợp xảy ra khôngphát ra photon mà chỉ phát ra nhiệt Đến năm 1999, Michael Kramers và cộng sự tạicông ty Hewlett-Packard tăng hiệu suất lên đến 55% nhờ phương pháp bẫy điện tử và

lỗ trống để xác suất điện tử và lỗ trống gặp nhau nhiều hơn Việc tăng hiệu suất làmtăng cường độ ánh sáng và giảm nhiệt

Cũng trong năm 1999, Philips Lumileds giới thiệu LED có thể hoạt động liên tụcvới công suất 1W so với các LED chỉ thị ở thời điểm đó chỉ có công suất 30-60mW

Nó dung 1 đế bán dẫn lớn hơn rất nhiều so với LED chỉ thị Đồng thời LED công suấtcòn có bộ phận tản nhiệt bằng kim loại Một trong những ưu điểm của LED là có hiệusuất chiếu sáng cao LED trắng nhanh chóng bắt kịp và vượt qua hiệu suất của đèn dâytóc

LEDs trắng đã nhanh chóng đánh dấu và vượt lên cả hiệu quả tiêu chuẩn của hệthống siêu sáng Năm 2002, Lumileds chế tạo thành công LED 5W với hiệu suất chiếusáng từ 18-22lm/W so với đèn dây tóc là 15lumen/W và đèn huỳnh quang là 100lm/W.Năm 2003, một loại LED xanh da trời được công ty Cree giới thiệu phát ra

24 mW với dòng điện là 20mA Điều này có nghĩa là 1 bóng LED trắng sẽ có 65lm/Wvới dòng 20mA Đây chính là LED trắng có hiệu suất cao nhất thời đó, hơn 4 lần so vớiđèn dây tóc Năm 2006, họ giới thiệu sản phẩm mẫu đạt kỷ lục mới cho hiệu suất củaLED trắng là 131lm/W với dòng điện 20mA Năm này, công ty Nichia Corporationgiới thiệu LED trắng với hiệu suất 150lm/W cũng với dòng điện 20mA

Năm 2011, Xlamp XM-L, 1 dòng sản phẩm của hãng Cree phát ra 100lm/W vớicông suất 10W, hiệu suất là 160lm/W nếu công suất là 2W Năm 2012, Cree giới thiệu

LED trắng hiệu suất 254lm/W Trong thực tế, LED chiếu sáng có công suất từ 1W trởlên, dòng tiêu thụ điển hình là 350mA.Chú ý là hiệu suất nói trên chỉ tính riêng choLED và dưới môi trường nhiệt độ thấp trong phòng thí nghiệm Trên thực tế, nhiệt độcao và mạch nguồn cho LED cũng có thất thoát năng lượng nên hiệu suất thấp hơnnhiều Tháng 3 năm 2012, cree tuyên bố LED mẫu đã đạt được 208lm/W với nhiệt độphòng, nhiệt độ màu là 4579K.

3.1.5 Đặc tuyến IV của LED

Khi LED được áp điện thế thấp, dòng điện đi qua chủ yếu là do dòng bức xạkhông tái hợp và một phần tái hợp ở bề mặt Khi điện thế tăng, dòng chủ yếu là dòngbức xạ khuếch tán

Với điện áp thuận VF, dòng điện thuận tương ứng là:

Hình 3.6 Đặc tuyến I-V của chuyển tiếp p – n khi phân cực thuận

3.1.6 Tuổi thọ của LED

Bán dẫn nói chung và LED nói riêng rất bền khi dòng tiêu thụ nhỏ và ở nhiệt độthấp Nhiều LED sản xuất năm 1970-1980 vẫn còn cho tới ngày nay Tuổi thọ thường

là 25.000 cho đến 100.000 giờ nhưng nhiệt độ cao và dòng tiêu thụ cao thì tuổi thọ sẽgiảm nhanh chóng

Dạng hư hỏng chung của LED (và diode lazer) là sẽ dần giảm độ sáng, hiệu suất

Hư hỏng đột ngột dù hiếm nhưng cũng xảy ra Các LED đỏ thời kì đầu tuổi thọ khángắn Với sự phát triển LED công suất cao, LED hiện đại phải chịu nhiệt độ cao hơn,dòng tải cao hơn ngày xưa Điều này có thể làm giảm tuổi thọ nhanh chóng Để phânloại LED theo tuổi thọ, người đưa ra khái niệm L70 và L50, nghĩa là thời gian để hiệusuất chiếu sáng còn 70% và 50%

Cũng như các loại đèn khác, hiệu suất phát sáng của LED giảm dần theo thời gian

sử dụng, nhưng ưu điểm của LED so với các loại đèn khác là thời gian giảm hiệu suấtrất dài

Hình 3.7 Tuổi thọ của LED so với một số loại đèn khác.

3.1.7 Ảnh hưởng của các yếu tố đến hoạt động của LED

Các ưu điểm của việc sử dụng LED là tiết kiệm năng lượng, tỏa nhiệt ít, hiệusuất cao, tuổi thọ lớn Nhưng với những điều kiện sử dụng khác nhau thì hoạt động củaLED có một số thay đổi nhất định, làm cho LED không còn giữ được những ưu điểm

đó nữa Việc sử dụng LED ở những khu vực khí hậu khác nhau cũng làm thay đổi tínhnăng hoạt động của LED

Một số yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của LED như yếu tố môi trường, dòngđiện cấp cho LED, chất lượng của mạch điện của LED…

Cũng như các loại đèn khác, hoạt động của LED cũng phụ thuộc vào nhiệt độ.Hầu hết các nhà sản xuất đều công bố thông số cho nhiệt độ phòng 25°C LED ngoàitrời như đèn giao thông hoặc chiếu sáng công cộng nơi có nhiệt độ quá thấp hoặc quácao có thể giảm độ sáng hoặc có thể làm hư hỏng LED

LED tăng độ sáng ở nhiệt độ thấp tùy loại cụ thể, thường là -30°C Do đó LED cóthể là sự lựa chọn tốt để chiếu sáng ở kho lạnh của siêu thị và tuổi thọ sẽ cao hơn cácloại đèn khác Vì LED ít phát nhiệt hơn đèn dây tóc nên sẽ có hiệu suất cao hơn ở

dùng được ở những nơi có tuyết rơi dày Để giải quyết vấn đề này, người ta có thểthêm một mạch điện tạo sức nóng Thêm nữa, một nghiên cứu vừa thành công tạo ra 1loại tản nhiệt truyền nhiệt vào khu vực thích hợp bên trong đèn LED.

Việc sử dụng LED còn phụ thuộc vào chất lượng của bo mạch điện tử kết nối cácbóng đèn LED Bo mạch điện tử của một bộ đèn Led bao gồm hàng trăm các linh kiệnđiện tử nhỏ bé, chỉ cần sử dụng một linh kiện điện tử có chất lượng thấp trong đó là sẽảnh hưởng đến tuổi thọ của cả bộ đèn

Hình 3.8 Tuổi thọ của LED phụ thuộc vào nhiệt độ.

Khi cấp nguồn cho LED, nếu để LED hoạt động với dòng điện lớn hơn so vớithiết kế của nhà sản suất thì cũng làm giảm hiệu suất và thời gian sử dụng của LED Vìkhi cấp dòng cao nhiệt độ của nối p-n tăng, làm giảm hiệu suất hoạt động của LED

Hình 3.9 Tuổi thọ của LED phụ thuộc vào dòng qua LED.

3.2 Phổ ánh sáng tự nhiên

Phổ điện từ bao gồm tất cả các bước sóng hay các tần số của bức xạ điện từ cónăng lượng từ rất thấp cho đến các bức xạ điện từ có năng lượng rất cao

Ánh sáng mặt trời bao gồm các bước sóng: sóng hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy

và sóng cực tím Tuy nhiên, mắt người chỉ nhìn thấy ánh sáng có bước sóng từ 720nm Ánh sáng khả kiến có quang phổ tạo ra từ 7 dải màu: đỏ, cam, vàng, lục, lam,chàm, tím Sóng mang năng lượng và năng lượng tỉ lệ nghịch với bước sóng

380-Hình 3.10 Quang phổ ánh sáng tự nhiên.

3.3 Nguyên lý tiếp nhận ánh sáng của mắt người

Các dao động của điện trường trong ánh sáng tác động mạnh đến các tế bào cảmthụ ánh sáng trong mắt người Có 3 loại tế bào cảm thụ ánh sáng trong mắt người, cảmnhận 3 vùng quang phổ khác nhau (tức ba màu sắc khác nhau) Sự kết hợp cùng lúc 3tín hiệu từ 3 loại tế bào này tạo nên những cảm giác màu sắc phong phú Để tạo ra hìnhảnh màu trên màn hình, người ta cũng sử dụng 3 loại đèn phát sáng ở 3 vùng quangphổ nhạy cảm của người

Tế bào cảm giác màu đỏ và màu lục có phổ hấp thụ rất gần nhau, do vậy mắtngười phân biệt được rất nhiều màu nằm giữa màu đỏ và lục (màu vàng, màu dacam, xanh nõn chuối, ) Tế bào cảm giác màu lục và màu lam có phổ hấp thụ nằm xanhau, nên mắt người phân biệt về các màu xanh không tốt

Võng mạc người được chia làm 2 lớp (xét về mặt chức năng) gồm lớp tế bào cảmnhận ánh sáng và lớp tế bào dẫn truyền xung thần kinh điện thế Trong y học, người tacòn phân võng mạc thành 10 lớp theo cấu trúc giải phẫu mô học và hình thái của nó

Về tế bào học, võng mạc người chỉ có 2 loại tế bào: tế bào hình que và tế bào nón

Tế bào gậy có chức năng xác định về cấu trúc, hình thể vật, những hình ảnh trong tối

Tế bào nón có chức năng xác định rõ về màu sắc, độ sắc nét Trong đó, tế bào nón lạiđược phân thành 3 loại, nhận cảm màu sắc ánh sáng tương ứng với 3 vùng quang phổkhác nhau

Hình 3.11 Cấu tạo của mắt và sơ đồ võng mạc gồm các cơ quan thụ cảm hình que và

hình nón.

3.4 Ánh sáng trắng

Ánh sáng trắng là hỗn hợp của tất cả ánh sáng đơn sắc, trong đó có bảy màu cơbản: đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím Ánh sáng trắng là một trường hợp của ánhsáng phức tạp hay ánh sáng đa sắc, nó được tạo ra bởi sự bức xạ ánh sáng của vật đenkhi được nung nóng ở nhiệt độ cao Các nguồn ánh sáng trắng có thể kể đến như ánhsáng ban ngày, ánh sáng của đèn dây tóc

Ánh sáng được coi như là ánh sáng trắng nếu 3 loại tế bào hình nón trên võngmạc của mắt người bị kích thích với một tỷ lệ nhất định

Hình 3.12 Bước sóng đơn sắc bổ sung để thu được ánh sáng trắng với 1 tỷ lệ công

suất nhất định.

Ánh sáng trắng có thể được tạo ra bằng những cách khác nhau

Một cách dùng để tạo ra ánh sáng trắng là dùng 2 màu ánh sáng đơn sắc, gọi làcác màu bổ sung Các bước sóng màu bổ sung được thể hiện trong hình 3.12 và bảng3.1

Bảng 3.1 Bước sóng màu đơn sắc bổ sung λ1 và λ2 của màu đơn sắc bổ sung theo tiêu

chuẩn CIE về nguồn sáng D65 và theo tiêu chuẩn CIE 1964

Một cách khác để tạo ra ánh sáng trắng là gây ra bức xạ 3 màu Nếu những màusắc được phát ra ở các bước sóng nhất định với tỷ lệ công suất nhất định thì hỗn hợpánh sáng thu được là ánh sáng trắng.

Một cách khác để tạo ra ánh sáng trắng là cho phát ra 1 băng rộng trên toàn bộphổ khả kiến

3.5 Nhiệt độ màu CCT

3.5.1 Khái niệm

Nhiệt độ màu (Correlated Color Temperature – CCT) là một đặc tính của ánhsáng nhìn thấy có ứng dụng quan trọng trong chiếu sáng, chụp ảnh, quay phim, xuấtbản, sản xuất, thiên văn và các lĩnh vực khác Để xác định màu sắc của nguồn sáng thìphải dựa vào nhiệt độ màu, nhiệt độ màu là khái niệm được rút ra từ định luật bức xạPlanck Khi một vật bị nung nóng ở nhiệt độ cao thì nó sẽ phát sáng, quang phổ liên tục

mà nó phát ra phụ thuộc vào nhiệt độ của vật, vì thế khi quan sát quang phổ của mộtvật nóng ta có thể ước lượng được nhiệt độ của nó Khi quan sát bức xạ của một vậtđen tuyệt đối Planck phát hiện ra rằng ở một nhiệt độ nhất định thì vật sẽ phát ra mộtquang phổ liên tục với cường độ sáng thay đổi theo tần số Tần số ánh sáng được phát

xạ mạnh nhất phụ thuộc vào nhiệt độ tuyệt đối của vật Nhiệt độ màu thường được quyđịnh sử dụng đơn vị nhiệt độ tuyệt đối Kelvin

Ví dụ: Khi đun nóng một thanh kim loại màu đen, nó sẽ thay đổi màu sắc Nó bắtđầu từ màu đen, chuyển sang màu đỏ, sau đó màu vàng, rồi đến màu trắng, rồi màuxanh Khi đo nhiệt độ của thanh kim loại khi nó phát ra ánh sáng của một màu nhấtđịnh Nhiệt độ này, đo bằng độ Kelvins, được gọi là nhiệt độ màu sắc của ánh sángđược phát ra