Công nghệ chiếu sáng sử dụng led và oled

CÁC MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT VÀ TRUYỀN THÔNG CHO HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG THÔNG QUA ĐƯỜNG DÂY MẠNG ĐIỆN THOẠI VÀ MẠNG ĐIỆN CUNG CẤP TẠI HÀ NỘI .... Phương pháp nghiên cứu Để ngh

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

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

[\

NGUYỄN THỊ LINH

CÔNG NGHỆ CHIẾU SÁNG SỬ DỤNG LED VÀ OLED

Chuyên ngành: Thiết bị điện – Điện tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 7

DANH MỤC HÌNH VẼ 9

DANH MỤC BẢNG BIỂU 11

MỞ ĐẦU 12

1 Tính cấp thiết của đề tài 12

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 12

3 Mục đích, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu của đề tài 12

3.1 Mục đích 12

3.2 Đối tượng nghiên cứu 13

3.3 Phạm vi nghiên cứu 13

3.4 Phương pháp nghiên cứu 13

4 Kết cấu của luận văn 13

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ LED 14

1.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐÈN LED: 14

1.1.1 Sơ lược về các nguồn sáng: 14

1.1.2 Đèn Led: 15

1.1.3 Hoạt động của LED: 16

1.1.4 Một số ứng dụng chính của đèn LED: 17

1.2 SO SÁNH ĐÈN LED VỚI CÁC LOẠI ĐÈN KHÁC: 19

1.2.1 Ưu điểm của đèn LED: 20

1.2.2 Nhược điểm: 22

1.3 ỨNG DỤNG ĐÈN LED TRONG CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG: 22

1.3.1 Trong lĩnh vực chiếu sáng đường phố: 22

1.3.2 Trong lĩnh vực chiếu sáng trang trí: 23

1.4 MỘT SỐ CHỦNG LOẠI ĐÈN LED CÓ THỂ ỨNG DỤNG TRONG CHIẾU SÁNG TRANG TRÍ TẠI CÁC ĐÔ THỊ VIỆT NAM: 23

1.4.1 Sử dụng các thanh LED tạo thành các màn hình LED cỡ lớn: 23

1.4.2 Sử dụng đèn pha LED để chiếu sáng và cụm LED để viền công

trình kiến trúc: 25

1.4.3 Sử dụng các loại LED đa sắc để tạo theo các mẫu và khung chạy theo chương trình: 27

1.4.4 Kết hợp cụm đèn LED đơn để tạo thành các bóng đèn LED lắp đặt trên các dây võng ngang đường: 29

1.4.5 Sử dụng các loại đèn LED thanh để tạo hiệu ứng bánh xe, dẻ quạt: 30

1.5 XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN ỨNG DỤNG ĐÈN LED TRONG CHIẾU SÁNG TRANG TRÍ THÀNH PHỐ HÀ NỘI TRONG DỊP ĐẠI LỄ KỶ NIỆM 1000 NĂM THĂNG LONG 31

1.5.1 Phương án tại khu vực xung quanh Hồ Hoàn Kiếm: 34

1.5.2 Phương án các trục đường chính, các trục hướng tâm 37

1.5.3 Phương án tại các nút giao thông trọng điểm, các cửa ô 40

Chương 2: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO LED, OLED 41

2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ LED 41

2.1.1 Đặc tính V-A 41

2.1.2 Độ lệch từ đường đặc tính V-I lý tưởng 46

2.1.3 Đánh giá của điot điện trở kí sinh 51

2.1.4 Năng lượng phát xạ 53

2.1.5 Phân bố hạt tải điện ở lớp chuyển tiếp chung n-p 53

2.1.6 Phân bố hạt tải điện trong chuyển tiếp dị thể n-p 55

2.1.7 Ảnh hưởng của chuyển tiếp dị thể trong thiết bị điện trở 56

2.1.8 Sự suy giảm hạt tải điện trong kết cấu dị thể kép 60

2.1.9 Sự tràn hạt tải điện trong kết cấu dị thể kép 63

2.1.10 Lớp cản điện tử 67

2.1.11 Điện áp điot 69

2.1.12 Sự tính toàn hệ số công suất của PRS-LED 71

2.1.13.Tính toán hiệu suất phát xạ của PRS-LED 72

2.2 CÁC PHƯƠNG HƯỚNG CÔNG NGHỆ LED 75 2.3 TÌNH HÌNH SẢN XUẤT LED CỦA MỘT SỐ HÃNG NỔI TIẾNG 83

2.3.1 Giới thiệu đèn LED của hãng OSRAM 83

2.3.2 Giới thiệu đèn LED của hãng Haosi 84

2.4 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO OLED (ORGANIC LIGHT-EMITTING DIODE: DIODE PHÁT SÁNG HỮU CƠ) 89

2.4.1 Cấu tạo OLED 90

2.4.2 Chế tạo OLED 91

2.4.3 Nguyên lý hoạt động 92

2.4.4 Các loại công nghệ OLED 93

2.5 Ưu và nhược điểm của OLED 98

2.5.1 Các ưu điểm của OLED 98

2.5.2 Các nhược điểm của OLED 99

2.6 Những ứng dụng hiện tại và tương lai của OLED 100

Chương 3: ĐIỀU KHIỂN LED 101

3.1 THỰC TRẠNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG TẠI VIỆT NAM 101

3.1.1 Phương pháp tắt xen kẽ giảm công suất tủ điều khiển 101

3.1.2 Phương pháp điều chỉnh bằng chấn lưu nhiều mức công suất để có hệ thống đèn nhiều cấp công suất 102

3.2 NHỮNG HẠN CHẾ CỦA CÁC HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG MÀ CÁC TỦ ĐIỀU KHIỂN LÀM VIỆC ĐỘC LẬP 102

3.3 CÁC MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT VÀ TRUYỀN THÔNG CHO HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG THÔNG QUA ĐƯỜNG DÂY MẠNG ĐIỆN THOẠI VÀ MẠNG ĐIỆN CUNG CẤP TẠI HÀ NỘI 103

3.3.1 Truyền thông giữa trung tâm điều khiển và tủ điều khiển khu vực 104

3.3.2 Truyền thông giữa tủ điều khiển khu vực và tủ chiếu sáng 104

3.3.3 Các cấp điều khiển của hệ thống điều khiển giám sát trung tâm 105 3.3.4 Ưu và nhược điểm 107 3.4 CÁC MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT VÀ TRUYỀN THÔNG CHO HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG THÔNG QUA MẠNG

INTERNET VÀ MẠNG ĐIỆN CUNG CẤP TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ

MINH 107

3.4.1 Truyền thông giữa trung tâm điều khiển và tủ điều khiển khu vực 109

3.4.2 Ưu và nhược điểm 109

3.5 TRUNG TÂM ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG THÔNG QUA MẠNG KHÔNG DÂY GSM/GPRS 110

3.5.1 Tổng quan về công nghệ GSM/GPRS 110

3.5.2 Đặc điểm chung của công nghệ GSM và GPRS 111

3.6 ĐIỀU KHIỂN LED CHIẾU SÁNG 113

3.6.1 Cung cấp và điều khiển LED : 113

3.6.2 Thiết kế mạch điều khiển LED 116

Chương 4- KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 119

TÀI LIỆU THAM KHẢO 123

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

AMOLED active-matrix OLED OLED ma trận chủ động

Thông tin di động toàn cầu

GPRS General Packet Radio

IP Internet Protocol Giao thức mạng Internet

IP Internet Protocol Giao thức mạng Internet

J

K

L

LCD Liquid Crystal Display: Màn hình tinh thể lỏng

LED Light Emitting Diode Diode bán dẫn

PMOLED passive-matrix OLED OLED ma trận thụ động

PLC Progamable Logic Controler Thiết bị điều khiển khả trình

PLC Power Line Communication Công nghệ truyền thông qua đường dây

cung cấp điện PLC-RTU Power Line Communication –

Remote Terminal Unit

Thiết bị đầu cuối điều khiển từ xa theo công nghệ truyền thông qua đường cung cấp điện

PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động mặt đất công cộng

Đa truy cập phân chia theo thời gian

TCP/IP Transmission Control

Protocol/Internet Protocol

Giao thức điều khiển truyền dữliệu/Giao thức mạng Internet

U

V

VLR Visitor Location Register Thanh ghi định vị tạm trú

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu tạo của Led 15

Hình 1.2 Nguyên lý làm việc của LED 17

Hình 1.3 Phân chia thị trường LED, 2008 19

Hình 1.3 Biểu đồ hiệu suất của các loại đèn 20

Hình 1.4 LED sử dụng trong màn hình cỡ lớn 23

Hình 1.5 LED đa sắc 27

Hình 1.6 LED đơn đặt trên các dây võng ngang đường 29

Hình 1.7 LED thanh tạo hiệu ứng bánh xe, dẻ quạt 30

Hình 1.8 LED được bố trí ở khu vực Trấn Ba Đình, Hà Nội 34

Hình 1.9 Đèn pha LED tại cầu Thê Húc 35

Hình 1.10 Trang trí nhà hàng Thủy Tạ bởi LED 35

Hình 1.11 Đèn pha LED được đặt viền xung quanh hồ 36

Hình 1.12 Mô hình 2 rồng thời Lý và biểu tượng Hà nội dài 40m gắn LED hai mặt 37

Hình 1.13 Mô hình 2 rồng thời Lý và biểu tượng Hà nội dài 15m gắn LED 38 Hình 1.14 Mô hình đài phun nước 2 tầng gắn LED đặt tại các thảm cỏ, vườn hoa 38

Hình 1.15 Dây ngang đường sử dụng bóng đèn LED 1W & 3W 39

Hình 1.16 Khung nháy quay tròn trên các cột đèn pha 14-20m 40

Hình 2.1 Hai phương hướng công nghệ 75

Hình 2.2 Tạo nên LED trắng b) nhờ phủ phốt pho lên LED xanh a) 79

Hình 2.3 Tạo nên LED màu trắng từ LED đỏ, xanh, lơ 79

Hình 2.4 Đèn ống LED 80

Hình 2.5 Mô hình quy trình công nghệ sản xuất LED 81

Hình 2.6 Các linh kiện chế tạo LED và vật liệu tương ứng 82

Hình 2.7: Đèn LED do OSRAM chế tạo 83

Hình 2.8: Bóng đèn LED do Haosi chế tạo 84

Hình 2.9: Bộ đèn chiếu sáng đường giao thông sử dụng LED 85

Hình 2.11: Quang cảnh đường giao thông sử dụng LED 87

Hình 2.12: Chiếu sáng đường hầm bằng LED 88

Hình 2.13: Tấm phim mỏng làm từ hợp chất hưu cơ 89

Hình 2.14: Các lớp của OLED 90

Hình 2.15: Chế tạo OLED 91

Hình 2.16: Nguyên lý phát quang OLED 92

Hình 2.17: OLED ma trận thụ động 94

Hình 2.18: OLED ma trận chủ động 95

Hình 2.19: OLED trong suốt 96

Hình 2.20: OLED phát sáng đỉnh 97

Hình 2.21: Màn hình OLED mềm dẻo của Sony 97

Hình 2.22: OLED trắng 98

Hình 3.1: Sơ đồ điều khiển hệ thống chiếu sáng công cộng thông qua đường dây mạng điện thoại và mạng điện cung cấp 103

Hình 3.2: Điều khiển và giám sát hệ thống chiếu sáng thông qua mạng Internet kết hợp với mạng điện cung cấp 108

Hình 3.3 Sử dụng giải pháp truyền thông qua mạng không dây GSM/GPRS 110

Hình 3.1 Sơ đồ cung cấp cho LED 113

Hình 3.2 Sơ đồ dimming LED Hình 3.3 Sơ đồ dimming tổ hợp LED 114

Hình 3.4 Vi mạch IRS2530D 114

Hình 3.5 IC IRS2530D cho phép dimming dòng điện ra 115

Hình 3.6 Thiết kế mạch điều khiển tổ hợp LED 116

Hình 3.7 Đường dữ liệu của bộ vi điều khiển 8 bit 118

Hình 3.8 Điều khiển đèn theo kịch bản chiếu sáng 118

Hình 4.1 Số lượng sáng chế LED trên thế giới, 1974-2009 119

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật tham khảo (của thanh đèn led gồm 32 cụm LED) 24Bảng 1.2 Thông số kỹ thuật tham khảo (của đèn pha LED chiếu hắt Spot Light và cụm đèn LED 7 mầu viền công trình kiến trúc) 26Bảng 1.3 Thông số kỹ thuật tham khảo (của bóng đèn LED đa sắc Φ5 và Φ8 ) 27Bảng 1.4 Thông số kỹ thuật tham khảo (của bóng đèn LED 1W và 3W) 29Bảng 1.5 Thông số kỹ thuật tham khảo (của đèn LED thanh RGB SMD Outdoor 32.768 mầu điều khiển nhóm - dài 750mm) 31BẢNG 5: PHÂN TÍCH TIỀN TIẾT KIỆM ĐÈN COMPACT VỚI ĐÈN LED 120BẢNG 6: PHÂN TÍCH TIỀN TIẾT KIỆM ĐÈN MERCURY SO VỚI ĐÈN LED 121TÀI LIỆU THAM KHẢO 123

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Công nghệ đèn LED không mới, nhưng việc ứng dụng LED trong việc chiếu

sáng lại là một dấu ấn ít nhiều mang tính cách mạng Trong thập niên đầu của thế kỷ

21 LED (Light Emitting Diode – Điôt phát quang) có sự phát triển vượt bậc Với ưu điểm cơ bản là thân thiện môi trường, không sử dụng hoá chất độc hại, không gây hiệu ứng nhà kính, có độ bền cơ học cao và đặc biệt tuổi thọ rất cao nên LED đang dần thay thế đèn huỳnh quang trong chiếu sáng nội thất Nhiều tổ hợp ma trận LED

đã được ứng dụng trong chiếu sáng đường giao thông Đặc biệt trong chiếu sáng trang trí, quảng cáo và lễ hội LED tỏ ra ưu điểm vượt trội so với các nguồn sáng kinh điển và đang là các thành phần chính trong chiếu sáng các công trình kiến trúc

Dẫn lời ông John Strainic - quản lý sản phẩm toàn cầu của GE cho biết “Đây không chỉ là loại bóng đèn sẽ trở nên thông dụng, mà hơn cả thông dụng, nó sẽ có mặt ở hầu hết các gia đình, từ phòng ngủ của các bé sơ sinh cho tới các học sinh trung học”, “Đây còn là một tiến bộ khoa học đáng ghi nhận, là biểu tượng của trí tưởng tượng và sáng tạo để giải quyết vấn đề lớn nhất mà cả thế giới đang quan tâm

đó là tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường”

Để chứng minh cho nhận định trên, luận văn đi vào nghiên cứu “Công nghệ chiếu sáng sử dụng LED và OLED”

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Đây là nguồn sáng mới đang được triển khai trong lĩnh vực công nghệ chiếu sáng

3 Mục đích, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu của đề tài

3.1 Mục đích

Nghiên cứu cơ sở lý luận của LED, phân tích ưu nhược điểm, khả năng ứng dụng của LED

3.2 Đối tượng nghiên cứu

+ LED và OLED trong công nghệ chiếu sáng

3.3 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu LED trong lĩnh vực chiếu sáng công cộng còn OLED là màn hình

3.4 Phương pháp nghiên cứu

Để nghiên cứu đề tài, tác giả dựa vào:

Cơ sở lý thuyết: Luận văn sử dụng các lý thuyết về LED, truyền thông công

nghiệp, thông tin di động, công nghệ viễn thông, mạng máy tính,

Cơ sở thực tiễn: Tìm hiểu, phân tích về điôt bán dẫn, quy trình sản xuất LED,

cách điều khiển LED theo ý đồ trình diễn ánh sáng để đưa ra được những ứng dụng thiết thực của LED trong cuộc sống

4 Kết cấu của luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục hình vẽ, danh mục bảng số liệu, danh mục chữ viết tắt, mục lục, phụ lục, luận văn gồm ba chương với các nội dung nghiên cứu như sau:

Chương I: Tổng quan về LED

Chương II: Công nghệ chế tạo LED, OLED

Chương III: Điều khiển LED

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ LED

1.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐÈN LED:

1.1.1 Sơ lược về các nguồn sáng:

Thời đại ánh sáng điện bắt đầu từ đèn sơi đốt của Thomas Edison 1931) chế tạo vào năm 1879 từ sợi các bon, tạo nên nhiệt độ 3900K, hiệu quả ánh sáng 2 lm/W, tuổi thọ 600 giờ Năm 1908 nhà khoa học Đức Ernt Werner Siemens (1816-1902) đã sử dụng sợi đốt vonfram-nicken kéo dài tuổi thọ của đèn sợi đốt Các đèn sợi đốt hiện đại trong môi trường halogen có chỉ số thể hiện màu xấp xỉ

(1837-100, cho ánh sáng ấm và đạt hiệu quả 20 lm/W

Hồ quang thủy ngân được phát hiện từ năm 1901 nhưng 30 năm sau mới được ứng dụng trong thực tế Từ năm 1960 các đèn phóng điện thủy ngân mới được ứng dụng trong chiếu sáng công cộng, chúng có thể chuyển hóa 20% điện năng thành quang năng và là nguồn sáng lạnh

Hiện tượng ion hoá phát sáng trong chất khí được nhà khoa học Anh Edward Townsend (1868-1957) phát hiện đã được ứng dụng để chế tạo các loại đèn phóng điện Đèn hơi Natri (Sodium) áp suất thấp do Van Voorhir chế tạo từ năm 1923 cho ánh sáng đơn sắc sắc màu vàng, chúng có thể chuyển hóa 80% điện năng thành quang năng, vì vậy có hiệu quả ánh sáng rất cao, đạt tới 200 lm/W, nhưng hệ số thể hiện màu rất thấp, gần bằng không Đèn Sodium áp suất cao có thể chuyển hóa 50% điện năng thành quang năng, cho ánh sáng gần với màu trắng hơn, hiệu quả ánh sáng đạt tới 120 lm/W, chủ yếu dùng cho chiếu sáng công cộng

Năm 1933 các đèn ống huỳnh quang đầu tiên đã được bán ra thị trường và ngày nay đã trở thành nguồn sáng chủ yếu, được sử dụng rộng rãi để chiếu sáng trong nhà Các đèn huỳnh quang thế hệ mới có hiệu quả ánh sáng tới 80 lm/W, chỉ

số thể hiện màu 70-85

Các đèn halogen kim loại (Metal halide) do công ty General Electric chế tạo

từ những năm 1960, có hiệu suất sáng không lớn hơn đèn Sodium áp suất cao,

cộng, chúng có thể được chế tạo với công suất lớn cỡ 2 kW, hiệu quả sáng đạt tới 95 lm/W, thích hợp cho chiếu sáng các công trình văn hóa, thể thao

Có khoảng trên 6000 loại đèn khác nhau và được phân chia thành 3 nhóm chính:

• Đèn sợi đốt và sợi đốt halogen Đây là nguồn sáng đơn giản, sử dụng thuận tiện, có hệ số thể hiện màu rất cao CRI = 100 Tuy nhiên hiệu quả năng lượng thấp, tuổi thọ thấp nên có xu hướng bị loại bỏ

• Đèn phóng điện trong chất khí trong đó có đèn huỳnh quang, đèn thuỷ ngân cao áp, đèn Metal Halide, đèn Sodium áp suất cao và áp suất thấp Đây là các đèn được sử dụng rộng rãi trong chiếu sáng nội thất và ngoại thất hiện nay

• LED nguồn sáng bán dẫn

1.1.2 Đèn Led:

LED (viết tắt của Light Emitting Diode, có nghĩa là điốt phát quang) là các điốt có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại Cũng giống như điốt, LED được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p ghép với một khối bán dẫn loại n

Hình 1.1 Cấu tạo của Led

LED ra đời từ những năm 60 của thế kỷ trước, được ứng dụng để hiển thị thời gian của đồng hồ báo thức hay dung lượng pin của máy ghi hình thông qua ánh sáng đỏ, xanh lá cây, vàng mà chưa có mầu trắng

Năm 1993, Công ty Hóa chất Nichia của Nhật Bản đã nghiên cứu hoàn chỉnh công nghệ chế tạo loại LED cho ánh sáng trắng Kết quả nghiên cứu nói trên đã mở

ra cơ hội mới để ứng dụng đèn LED vào cuộc sống Led trong giai đoạn phát triển bùng nổ trong phòng thí nghiệm và công nghiệp tạo nên cách mạng trong kỹ thuật chiếu sáng, làm thay đổi hẳn bộ mặt kỹ thuật chiếu sáng

LED dựa trên công nghệ bán dẫn Hiện tại LED cho ánh sáng trắng có tuổi thọ tới 50 nghìn giờ sử dụng, gấp 50 lần so với bóng đèn 60 W thông thường LED

sẽ thay thế dần đèn sợi đốt và đèn huỳnh quang bởi những ưu điểm như tiết kiệm năng lượng tiêu thụ từ 70 đến 80% so với loại đèn thông thường; tuổi thọ cao (nếu dùng LED mười giờ mỗi ngày thì 23 năm sau mới phải thay bóng); kích cỡ nhỏ; nhiệt năng sinh ra trong quá trình hoạt động không đáng kể; hoạt động tốt trong điều kiện nhiệt độ thấp; sử dụng dòng điện một chiều với hiệu điện thế nhỏ; không gây ô nhiễm môi trường vì không sinh ra tia cực tím, không có thủy ngân

1.1.3 Hoạt động của LED:

Phần chủ yếu của chip Led là tinh thể bán dẫn InGaN tạo nên chuyển tiếp p-n, được đóng gói với chân nối và thấu kính như hình 1.1

Khối bán dẫn loại p chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi ghép với khối bán dẫn n (chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối n Cùng lúc khối p lại nhận thêm các điện tử (điện tích âm) từ khối n chuyển sang Kết quả là khối p tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điện tử) trong khi khối n tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống)

Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi

tử trung hòa Năng lượng do sự tái hợp giữa điện tử và lỗ trống phát sinh photon dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó) Khi đặt vào điện trường chúng chuyển động và tái hợp trong vùng chuyển tiếp còn gọi là vùng nghèo

Hình 1.2 Nguyên lý làm việc của LED Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng Tùy theo mức năng lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng phát ra khác nhau (tức màu sắc của LED sẽ khác nhau) Mức năng lượng (và màu sắc của LED) hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc năng lượng của các nguyên tử chất bán dẫn

+ Sử dụng làm đèn xe, đèn đường, đèn hầm mỏ, đèn chiếu hậu cho màn hình của điện thoại cầm tay, đèn chiếu hậu cho màn hình tinh thể lỏng (LCD), in ấn kỹ thuật số

+ ứng dụng rộng rãi trên các lĩnh vực: bảng quảng cáo ngoài trời, bảng quang báo, đồng hồ cỡ lớn đặt tại các biển quảng cáo tấm lớn trên đường cao tốc, hệ thống đèn giao thông, biển chỉ dẫn, và các sản phẩm khác như bảng chạy chữ điện tử, bảng hệ thống giờ, Bảng tỷ giá, bảng chứng khóan, hệ thống xếp hàng tự động…

+ Ðèn LED có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như đèn đọc, chiếu sáng bể bơi, nhất là cho chiếu sáng quảng cáo ngoài trời tại những nơi khó thay lắp, do

có tuổi thọ cao hơn nhiều lần so với bóng đèn nê-ông, đồng thời có nhiều mầu sắc phong phú như: đỏ, xanh lá, xanh da trời, mầu hổ phách Trên thực tế Công ty Electric General và Ilight Technologies of Evanston III đã tạo ra các biển quảng cáo bằng đèn LED rực rỡ như đèn nê-ông

+ Một đặc điểm khác của đèn LED là ít tiêu hao năng lượng và không nóng Bóng đèn truyền thống, đèn neon, đèn halogen đều cần từ 110-220 V mới cháy được, trong khi đèn LED trắng chỉ cần từ 3-24 V để phát sáng Do ít tiêu hao năng lượng nên đèn LED có thể sử dụng ở vùng sâu vùng xa mà không cần nhà máy phát điện công suất cao

Hình 1.3 Phân chia thị trường LED, 2008 1.2 SO SÁNH ĐÈN LED VỚI CÁC LOẠI ĐÈN KHÁC:

Ánh sáng phát của đèn LED có màu sắc phụ thuộc vào chất liệu làm ra nó

Ví dụ như đèn LED màu đỏ được làm từ các thành phần hóa học như nhôm, gali, xen Đèn LED màu trắng được tạo ra bằng cách bao phủ một lớp photphorơ màu vàng bên ngoài đèn LED xanh da trời Một bóng đèn LED công suất lớn có thể sản sinh ra lượng ánh sáng là 80 lumen (đơn vị quang thông), trong khi đó một bóng đèn sợi đốt tiêu chuẩn có công suất 60W có thể cung cấp lượng ánh sáng là 900 lumen Điều đó có nghĩa là một bóng đèn LED công suất lớn chỉ có thể cung cấp lượng ánh sáng bằng 1/11 so với một bóng đèn sợi đốt 60W Để có thể cung cấp đủ ánh sáng người ta phải sản xuất những cụm đèn LED, tuy nhiên thì tương lai vẫn thuộc về đèn LED khi mà những cải tiến đã nâng gấp đôi công suất chiếu sáng của loại đèn này trong 2 năm trở lại đây

a-Cũng giống như tất cả các loại bóng đèn khác, hiệu năng của đèn LED được

đo bằng công thức lumen/Watt Loại đèn LED ánh sáng trắng ấm có hiệu năng vào

khoảng 25-44 lumens/watt trong khi đó loại LED ánh sáng trắng lạnh có hiệu năng tốt hơn 47-64 lumens/watt, còn loại bóng đèn huỳnh quang thông thường được sử dụng trong các gia đình có hiệu năng thấp hơn với 10-18 lumens/watt

Hình 1.3 Biểu đồ hiệu suất của các loại đèn

1.2.1 Ưu điểm của đèn LED:

1 Tiêu thụ ít điện năng:

Hiện đã có những cải tiến đáng kể về công nghệ sản xuất đèn LED mà tiêu biểu là sự ra đời của OLED – đi ốt phát sáng hữu cơ, loại đèn LED có chứa các bon này thậm chí còn tiêu thụ điện năng ít hơn loại đèn LED đang phổ biến hiện nay OLED được sử dụng làm “nguồn sáng tỏa” - tia sáng từ một điểm tỏa đến mọi phương với cường độ giảm theo khoảng cách

3 Tuổi thọ cao:

Nguyên tắc hoạt động khác với các loại đèn sợi đốt hay đèn huỳnh quang khiến cho tuổi thọ của đèn LED cao hơn Trong điều kiện phòng thí nghiệm tuổi thọ trung bình của một bóng đèn LED có thể đạt tới 100.000 giờ hoạt động và trong điều kiện thực tế cũng đạt tới 60.000 giờ chiếu sáng

4 Hội tụ ánh sáng:

Mọi ánh sáng mà đèn LED phát ra đều hướng xuống dưới Một trong những

ưu điểm của đèn LED là nguồn sáng có kích thước nhỏ điều cho phép hội tụ ánh sáng vào vị trí mong muốn thông qua hệ thống gương Mặt khác, với loại đèn halogen và huỳnh quang, 50% ánh sáng chiếu xuống và 50% ánh sáng chiếu lên Lượng ánh sáng chiếu lên này hoàn toàn phí phạm nếu không được tái sử dụng bằng tấm phản xạ hay dụng cụ tương tự

5 Dễ dàng điều chỉnh cường độ sáng:

Đèn LED có thể được điều chỉnh độ sáng từ 0 đến 100% Điều này cho phép

mô phỏng các điều kiện tự nhiên, chẳng hạn như bình minh, hoàng hôn và mây mù Nếu đèn LED được điều chỉnh bằng kỹ thuật điều chế độ rộng xung (pulse-width modulation) thì năng lượng tiêu thụ cũng giảm một khi độ sáng giảm xuống

6 Chất lượng ánh sáng thân thiện với con người:

Ánh sáng đèn LED không gây hiệu ứng nhấp nháy và không hề có bức xạ cực tím (cái này có ở đèn huỳnh quang)

7 An toàn cho người sử dụng:

Rất an toàn khi sử dụng trong môi trường ẩm ướt và dễ bắt lửa (trần xốp, )

vì sử dụng điện 1 chiều với bộ nguồn ngoài Không thể đảm bảo an toàn khi sử dụng các nguồn 220V cho các đèn chiếu sáng hang động (vô cùng ẩm ướt)

8 Thân thiện với môi trường

Lượng chất thải (đèn hỏng) mà LED thải ra (do tuổi thọ dài hơn nhiều) ít hơn rất nhiều so với đèn sợi đốt và compact (tuổi thọ ngắn), cộng với đó là việc không

1.2.2 Nhược điểm:

Tất cả công đoạn sản xuất LED đều thuộc lĩnh vực công nghệ cao vì phải xử

lý chính xác các đơn vị có kích thước nano và phải chế tạo các màng bán dẫn thật mỏng trong môi trường thật sạch để đảm bảo tính năng và tuổi thọ của tim đèn Phản ứng tạo thành vật liệu bán dẫn phát sáng phải được thực hiện trong chân không, thực hiện trong phòng sạch, sạch hơn cả phòng bào chế y dược Chính công đoạn này đã đẩy giá LED lên cao, đây cũng chính là yếu điểm của LED vì chưa thể cạnh tranh về giá với các công nghệ chiếu sáng truyền thống

1.3 ỨNG DỤNG ĐÈN LED TRONG CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG:

Trong lĩnh vực chiếu sáng công cộng đèn LED được ứng dụng trong 2 lĩnh vực chính:

+ Chiếu sáng đường phố: Thay thế cho các loại đèn sử dụng bóng cao áp natri, bóng đèn cao áp thủy ngân

+ Chiếu sáng trang trí: Sử dụng thay cho bóng đèn sợi đốt, dây đèn trang trí; Viền các khung hoa văn, khung biểu tượng; Trang trí công trình công cộng, công trình kiến trúc

1.3.1 Trong lĩnh vực chiếu sáng đường phố:

Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ Led, các loại đèn Led chất lượng cao đã cho hiệu suất 100 Lm/W xấp xỉ so với hiệu suất của đèn Sodium, loại đèn được sử dụng chủ yếu trong chiếu sáng đường phố

Tại việt nam một số đô thị lớn như Hà nội, thành phố Hồ chí Minh, Đà Nẵng cũng đang trong quá trình thử nghiệm ứng dụng các loại đèn Led này trong chiếu sáng công cộng

+ Tại Hà nội Công ty TNHH NN một thành viên Chiếu sáng và Thiết bị đô thị

đã triển lắp đặt thử nghiệm 10 bộ đèn LED công suất 200W trên phố Trần Đại Nghĩa thay cho đèn Sodium 250W cho kết quả khả quan

+ Tại Đà nẵng Công ty Quản lý vận hành điện chiếu sáng Đà nẵng đã triển khai thí điểm lắp đặt 55 bộ đèn LED nano 24W tại 12 ngõ hẻm trên địa bàn thành phố thay thế cho đèn Mercury 80W đảm bảo được các yêu cầu kỹ thuật

1.3.2 Trong lĩnh vực chiếu sáng trang trí:

Trong lĩnh vực chiếu sáng trang trí đèn Led thể hiện ưu điểm vượt trội so với các loại đèn khác do:

+ Tạo ra nhiều mầu sắc khác nhau

+ Có thể điều khiển theo chương trình

+ Có thể điều khiển được độ sáng

+ Tuổi thọ cao, ít phải duy tu bảo dưỡng

1.4 MỘT SỐ CHỦNG LOẠI ĐÈN LED CÓ THỂ ỨNG DỤNG TRONG CHIẾU SÁNG TRANG TRÍ TẠI CÁC ĐÔ THỊ VIỆT NAM:

1.4.1 Sử dụng các thanh LED tạo thành các màn hình LED cỡ lớn:

Sử dụng các thanh LED ghép thành màn hình LED hiển thị nội dung cỡ lớn Màn hình được điều khiển bằng hệ thống điều khiển Video Full Colors chạy trên máy tính công nghiệp

Hình 1.4 LED sử dụng trong màn hình cỡ lớn

Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật tham khảo (của thanh đèn led gồm 32 cụm LED)

STT Chủng loại linh kiện Tính năng, thông số kỹ thuật

1 Thông số 1 điểm ảnh

(Pixel)

- Cường độ sáng: 450 mcd (ánh sáng đỏ); 1750 mcd (ánh sáng xanh lá cây); 350 mcd (ánh sáng xanh Blue)

- Góc mở chùm ánh sáng: 1000 (hướng nằm ngang) và 500 (hướng thẳng đứng)

- Cấu hình điểm ảnh (LED pixel): 4 đỏ - 2 xanh lá cây - 2 xanh blue (4R2G2B); đường kính LED: 5mm

- Khoảng cách giữa các điểm ảnh (Pitch): 62,5mm

- Điểm mù cưỡng bức trên mặt màn hình ≤ 0,0002

- Công suất tiêu thụ cực đại: 9W/m

- Công suất tiêu thụ trung bình: 4W/m

- IP 65 ở mặt trước - IP54 ở mặt sau

- Khoảng cách nhìn hiệu quả: 50 - 1000m

- Nhiệt độ trong môi trường làm việc: (-200C ÷

500C)

- Độ ẩm môi trường làm việc: 10% ÷ 95%

- Khả năng hiển thị 16,7 triệu mầu

- Tốc độ thay đổi trạng thái hiển thị ≥ 60 khung ảnh/giây

- Điện áp làm việc: 9 VDC

- Nhiệt độ mầu của ánh sáng: 6500K

- Hệ điều hành của hệ thống màn hình: WIN 98/2000/NT/XP

- Thẻ nhớ được lắp trong hộp chống nước cùng với

bộ nguồn (AC-DC power), có ba đoạn cáp nối từ hộp chứa thẻ nhớ đến hộp điều khiển trung tâm (hub box)

- Hộp điều khiển trung tâm (hub box): mỗi đoạn cáp nối với một hộp điều khiển trung tâm; 16 đầu cáp dữ liệu từ hộp điều khiển trung tâm đưa tới thanh LED (LED strip)

Ứng Dụng:

− Đặt tại các ngã ba, ngã tư nơi có lưu lượng giao thông lớn

− Đặt tại các khu vực cạnh hồ nước, nơi vui chơi giải trí, khu vực quảng trường mang tính chất thông tin tuyên truyền, quảng cáo

1.4.2 Sử dụng đèn pha LED để chiếu sáng và cụm LED để viền công trình kiến trúc:

Bảng 1.2 Thông số kỹ thuật tham khảo (của đèn pha LED chiếu hắt Spot Light và cụm đèn LED 7 mầu viền công trình kiến trúc)

STT Chủng loại linh kiện Tính năng, thông số kỹ thuật

- Mầu sắc hiển thị: 7 mầu cơ bản

- Mầu sắc được thay đổi theo tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển DMX 512

- Mầu hiển thị: 7 mầu cơ bản

- Mầu sắc được thay đổi theo tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển DMX 512

1.4.3 Sử dụng các loại LED đa sắc để tạo theo các mẫu và khung chạy theo chương trình:

Hình 1.5 LED đa sắc Bảng 1.3 Thông số kỹ thuật tham khảo (của bóng đèn LED đa sắc Φ5 và Φ8 )

- Quang thông của 01 bóng LED: 15 Lumen

- Kích thước mỗi điểm ảnh: 5mm

- Môi trường làm việc: ngoài trời; độ ẩm 40 - 80%; nhiệt độ làm việc: 100 - 600

- Nguồn điện cung cấp: 12V

1.4.4 Kết hợp cụm đèn LED đơn để tạo thành các bóng đèn LED lắp đặt trên các dây võng ngang đường:

Hình 1.6 LED đơn đặt trên các dây võng ngang đường Bảng 1.4 Thông số kỹ thuật tham khảo (của bóng đèn LED 1W và 3W)

STT Chủng loại linh kiện Tính năng, thông số kỹ thuật

1 Bóng ốc LED 1W

- Điện áp làm việc: 220VAC

- Công suất tiêu thụ: 0,98W

- Công suất tiêu thụ: 2,97W

− Sử dụng trong các dây trang trí ngang đường

− Viền các cổng các cơ quan, văn phòng

− Sử dụng để rải trên các cây ven hồ hoặc trên quảng trường

1.4.5 Sử dụng các loại đèn LED thanh để tạo hiệu ứng bánh xe, dẻ quạt:

Hình 1.7 LED thanh tạo hiệu ứng bánh xe, dẻ quạt

Bảng 1.5 Thông số kỹ thuật tham khảo (của đèn LED thanh RGB SMD Outdoor 32.768 mầu điều khiển nhóm - dài 750mm)

- Công suất tiêu thụ max: 7,2W

- Mầu sắc hiển thị: 32.768 mầu

- Kích thước LED thanh: 1000x15x6,8mm

Ứng Dụng:

− Trong các khung bánh xe, dẻ quạt lắp đặt trên các cột đèn pha tạo hiệu ứng quay

1.5 XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN ỨNG DỤNG ĐÈN LED TRONG CHIẾU SÁNG TRANG TRÍ THÀNH PHỐ HÀ NỘI TRONG DỊP ĐẠI LỄ KỶ NIỆM

1000 NĂM THĂNG LONG

Để kỷ niệm những ngày lễ lớn trong năm 2010 đặc biệt là đại lễ kỷ niệm 1000 năm Thăng Long, UBND thành phố Hà nội giao cho Công ty TNHH nhà nước một thành viên Chiếu sáng và Thiết bị đô thị lập dự án chiếu sáng trang trí trên địa bàn thành phố Hà nội chào mừng đại lễ kỷ niệm 1000 năm Thành Long - Hà nội hoàn thành trước tháng 10/2010 Trong đó yêu cầu:

+ Sử dụng các màn hình LED cỡ lớn để quảng bá thông tin

+ Chiếu sáng trang trí cây (chiếu sáng từ mặt đất nên thân cây, tán cây) + Chiếu sáng trang trí mô phỏng đài phun nước (tia chiếu sáng nhấp nháy với mầu sắc lung linh - sống động)

+ Chiếu sáng trang trí các Khung hoa văn, Khẩu hiệu được sử dụng bằng đèn LED (chiếu sáng viền Khung hoa văn, chữ khẩu hiệu)

+ Các con rồng biểu trưng cho thành phố Hà nội có kích thước lớn bằng đèn LED

- Về công nghệ chiếu sáng:

+ Sử dụng đèn LED (công nghệ tiên tiến nhất hiện nay): Thay đổi mầu sắc chiếu sáng (lung linh - sống động) qua hệ thống điều khiển tập trung có thể thay đổi linh hoạt chương trình điều khiển tuổi thọ cao; tiêu thụ điện ít; kiểu dáng đa dạng - phong phú

+ Sử dụng các đèn chiếu sâu, đèn pha chôn đất có kiểu dáng hiện đại, mầu sắc ánh sáng rực rỡ

Tập trung các khu vực sau:

1 Khu vực xung quanh Hồ Hoàn Kiếm

- Đường Thanh Niên

- Đường Nguyễn Tri Phương

3 Các trục hướng tâm:

- Đường Bắc Thăng Long – Nội Bài

- Đường Phạm Văn Đồng – Nam Thăng Long

- Đường Phạm Hùng

- Đường Trần Duy Hưng – Nguyễn Chí Thanh – Liễu Giai

- Đường An Dương Vương - Âu Cơ - Nghi Tàm

- Đường Nguyễn Trãi

- Đường Nguyễn Văn Cừ

4 Các nút giao thông trọng điểm, các cửa ô:

- Nút giao thông Kim Liên

- Nút giao thông cầu vượt Ngã Tư Sở

- Nút giao thông Phạm Hùng – Trần Duy Hưng

- Nút giao thông Cầu Giấy

- Nút giao thông Đường 5 (Đường Nguyễn Văn Linh)

- Nút giao thông cầu Chương Dương

1.5.1 Phương án tại khu vực xung quanh Hồ Hoàn Kiếm:

1.5.1.1 Lắp đặt màn hình LED tại khu vực trấn Ba Đình:

Hình 1.8 LED được bố trí ở khu vực Trấn Ba Đình, Hà Nội

Lắp đặt Hệ thống màn hình bằng LED thanh thể hiện nội dung “Chào mừng

1000 năm Thăng Long - Hà nội” có thể điều khiển theo chương trình, đặt tại khu

vực Trấn Ba Đình, Hà nội

1.5.1.2 Lắp đặt đèn pha LED trang trí Cầu Thê Húc:

Hình 1.9 Đèn pha LED tại cầu Thê Húc

1.5.1.3 Lắp đặt đèn pha LED trang trí nhà Thủy Tọa:

Hình 1.10 Trang trí nhà hàng Thủy Tạ bởi LED

1.5.1.4 Lắp đặt đèn pha LED viền xung quanh hồ:

Hình 1.11 Đèn pha LED được đặt viền xung quanh hồ

+ Bố trí đèn Led dọc theo mép kè ven hồ với khoảng cách trung bình 3m chiếu sáng nhằm tạo hiệu ứng ảnh màu phản chiếu dưới mặt nước

+ Tại trung tâm điều khiển có trang bị bộ điều khiển kết nối và phần mềm điều khiển Do vậy hệ thống đèn sẽ được nối trung tâm điều khiển, thông qua truyền thông công nghệ GSM/GPRS, các tủ điều khiển đèn Led sẽ được điều khiển và nhận chương trình điều khiển tại trung tâm Mỗi đèn Led được đặt một địa chỉ

và kết nối với máy tính thông qua bộ DMX Power, tại máy tính trung tâm có thể lựa chọn các chế độ trình diễn ánh sáng khác nhau và điều chỉnh cường độ sáng sao cho phù hợp

1.5.2 Phương án các trục đường chính, các trục hướng tâm

1.5.2.1 Lắp đặt các con rồng thời Lý kích thước lớn bằng đèn LED

Hình 1.12 Mô hình 2 rồng thời Lý và biểu tượng Hà nội dài 40m gắn LED hai mặt

đặt tại nút giao thông Phạm Hùng - Trần Duy Hưng

Hình 1.13 Mô hình 2 rồng thời Lý và biểu tượng Hà nội dài 15m gắn LED

một mặt đặt tại các cầu vượt dành cho người đi bộ

1.5.2.2 Lắp đặt các đài phun nước bằng đèn LED:

Hình 1.14 Mô hình đài phun nước 2 tầng gắn LED đặt tại các thảm cỏ, vườn hoa

1.5.2.3 Lắp đặt các khung hoa văn, khung biểu tượng bằng đèn LED

Hình 1.25 Mẫu hoa văn bằng đèn LED lắp trên cột đèn chiếu sáng

1.5.2.4 Sử dụng các bóng đèn LED trên các dây võng ngang đường

Hình 1.15 Dây ngang đường sử dụng bóng đèn LED 1W & 3W

1.5.3 Phương án tại các nút giao thông trọng điểm, các cửa ô

Hình 1.16 Khung nháy quay tròn trên các cột đèn pha 14-20m

Qua chương 1 cho ta cái nhìn tổng quan về LED Trong thập niên đầu của thế kỷ 21 LED có sự phát triển vượt bậc Với ưu điểm cơ bản là thân thiện môi trường, không sử dụng hoá chất độc hại, không gây hiệu ứng nhà kính, có độ bền cơ học cao và đặc biệt tuổi thọ rất cao nên LED đang dần thay thế đèn huỳnh quang trong chiếu sáng nội thất Nhiều tổ hợp ma trận LED đã được ứng dụng trong chiếu sáng đường giao thông Đặc biệt trong chiếu sáng trang trí, quảng cáo và lễ hội LED

tỏ ra ưu điểm vượt trội so với các nguồn sáng kinh điển và đang là các thành phần chính trong chiếu sáng các công trình kiến trúc