Ứng dụng led để thiết kế đèn chiếu sáng dân dụng và đèn tự hiệu chỉnh độ sáng đồ án tốt nghiệp đại học

Với sự phát triển của linh kiện điện tử bán dẫn, một loại đèn được ra đời với các ưu điểm: tiêu thụ công suất thấp, cho ánh sáng tốt và tuổi thọ sử dụng lâu, đó là đèn LED.. Ngoài chất b

KHOA XÂY DỰNG VÀ ĐIỆN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

KỸ SƯ NGÀNH CÔNG NGHIỆP

ỨNG DỤNG LED ĐỂ THIẾT KẾ ĐÈN CHIẾU SÁNG DÂN DỤNG VÀ ĐÈN TỰ

LỜI MỞ ĐẦU

Trong cuộc sống ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ thì vấn đề

sử dụng tiết kiệm và có hiệu quả các nguồn năng lượng đang được đặt lên hàng đầu khi các nguồn năng lượng đang dần cạn kiệt Đối với nguồn năng lượng điện thì vấn đề đặt ra

là làm thế nào để sử dụng tiết kiệm và có hiệu quả Để tiết kiệm điện trong chiếu sáng sinh hoạt và sản xuất, các bóng đèn tiết kiệm điện dần được ra đời

Ngày nay, khi công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn phát triển nhanh chóng thì cũng xuất hiện linh kiện bán dẫn có khả năng phát sáng với công suất tiêu thụ điện thấp và tuổi thọ bóng cao, đó là LED LED được ứng dụng nhiều trong cuộc sống như hiển thị, quảng cáo.v.v nhưng ứng dụng trong chiếu sáng thì chưa được phát triển

Vì vậy, đề tài “ Ứng dụng LED để thiết kế đèn chiếu sáng dân dụng và đèn tự hiệu

chỉnh độ sáng” với mục đích nghiên cứu sau:

• Nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LED

• Thiết kế đèn chiếu sáng dùng LED

• Thiết kế mạch tự động hiệu chỉnh độ sáng theo ánh sáng ngoài

• Áp dụng các kiến thức đã học vào thực tế cuộc sống

Trong khoảng thời gian tương đối ngắn và kiến thức còn hạn hẹp nên trong quá trình thực hiện đề tài có nhiều thiếu sót Kính mong sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn để tôi hoàn thiện và phát triển đề tài hơn nửa

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, con xin cảm ơn ba mẹ, gia đình đã là nguồn động viên rất lớn và là chỗ dựa

vững chắc nhất của con trong suốt quá trình học tập trên giảng đường đại học

Em cũng xin kính gửi đến thầy Tống Thanh Nhân lời cảm ơn chân thành và sâu sắc

nhất, cảm ơn thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ dạy em trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt

nghiệp này

Em cũng xin cảm ơn tất cả các thầy cô của trường Đại Học Mở Tp.HCM nói chung,

quý thầy cô của khoa Xây Dựng & Điện và các thầy cô bộ môn nói riêng đã tận tình giảng

dạy, trang bị cho em những kiến thức bổ ích trong thời gian học đại học

Chúng tôi cũng xin cảm ơn tất cả bạn bè đã động viên, góp ý, giúp đỡ tôi rất nhiều

trong quá trình học tập và thực hiện đồ án tốt nghiệp này

Xin gửi tới mọi người lời cảm ơn chân thành nhất

1.3.1.Phương pháp nghiên cứu 1

1.3.2.Phương tiện nghiên cứu 2

1.4 Ứng dụng và khả năng phát triển của đề tài 2

1.4.1 Ứng dụng 2 1.4.2 Khả năng phát triển của đề tài 2

2.1.1 Vật liệu bán dẫn 2 2.1.2 Vùng năng lượng trong bán dẫn 4

2.1.3 Tiếp giáp p-n và diode bán dẫn 6

2.1.3.1 Cấu tạo diode 6

2.1.3.2 Phân cực cho diode 7

2.1.3.3 Đặc tuyến volt-ampe của diode 8

2.2.1 Lịch sử phát triển của LED 9

2.2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LED 10

2.2.2.1 Cấu tạo 10 2.2.2.2 Nguyên lý hoạt động của LED 11

2.2.2.3 Đặc tuyến votl-ampe của LED 12

2.2.2.4 Ưu điểm của LED 13

2.2.2.5 Ứng dụng của LED 13

Chương 3: THIẾT KẾ ĐÈN CHIẾU SÁNG SỬ DỤNG LED 15

3.1 Đèn chiếu sáng sử dụng LED 5mm 15

3.1.1 Yêu cầu 15 3.1.2 Thiết kế 15 3.1.3 Lắp ráp và hiệu chỉnh 16

3.1.4 Đánh giá và kết luận 17

3.2 Đèn chiếu sáng sử dụng LED SMD5050 18

3.2.1 Giới thiệu về LED SMD5050 18

3.2.2 Thiết kế 19 3.2.3 Lắp ráp và hiệu chỉnh 20

3.2.4 Đánh giá và kết luận 21

Chương 4: Thiết kế mạch tự điều chỉnh độ sáng 22

4.2 Vi mạch khuếch đại thuật toán opamp, vi mạch TL082 và quang trở 22

4.2.1 Cơ bản về vi mạch khuếch đại thuật toán 22

4.2.2 Các dạng cơ bản của khuếch đại thuật toán 23

4.3 Thiết kế đèn tự hiệu chỉnh độ sáng 28

4.3.1 Giới thiệu về đèn tự hiệu chỉnh độ sáng 28

4.3.2 Thiết kế 28 4.3.2.1 Khối nguồn 28 4.3.2.2 Thiết kế mạch tạo xung răng cưa 28

4.3.2.3 Thiết kế mạch điều rộng xung theo ánh sáng 31

4.3.2.4 Khối LED chiếu sáng 33

4.3.2.5 Sơ đồ nguyên lý của đèn 33

4.3.2.6 Thi công và hiệu chỉnh 35

KẾT LUẬN 37 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 38

CHƯƠNG 1: TỒNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Mục đích chọn đề tài

Cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ Các vấn đề về năng lượng là những vấn đề quan trọng của thế giới hiện nay Khi các nguồn năng lượng từ nhiên đang dần cạn kiệt như than

đá, dầu mỏ.v.v Vấn đề đặt ra là làm thế nào để sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả và tìm

ra các nguồn năng lượng mới

Đối với năng lượng điện được sản xuất từ thủy điện, nhiệt điện, phong điện và điện hạt nhân cũng vậy Khi nhu cầu sử dụng điện tăng cao và các vấn đề về tự nhiên đang làm thiếu nguồn điện cho sinh hoạt và sản xuất Vì vậy, làm thế nào để sử dụng năng lượng điện hiệu quả và tiết kiệm?

Chiếu sáng trong sinh hoạt và sản xuất là nhu cầu cần thiết của con người Vậy làm thế nào

để có một loại đèn sử dụng trong sinh hoạt và sản xuất tiết kiệm điện nhất, có tuổi thọ lâu mà vẫn đảm bảo độ sáng Với sự phát triển của linh kiện điện tử bán dẫn, một loại đèn được ra đời với các ưu điểm: tiêu thụ công suất thấp, cho ánh sáng tốt và tuổi thọ sử dụng lâu, đó là đèn LED LED được ứng dụng rất nhiều trong quảng cáo, hiển thị nhưng trong lĩnh vực chiếu sáng sinh

hoạt hay sản xuất thì chưa được phát triển Đây là ý tưởng để thực hiện đề tài: “Ứng dụng LED

để thiết kế đèn chiếu sáng dân dụng và đèn tự hiệu chỉnh độ sáng”

Mục đích nghiên cứu của đề tài:

• Nghiên cứu, tìm hiểu cấu trúc và hoạt động của LED để thiết kế đèn tiết kiệm điện sử dụng trong sinh hoạt

• Thiết kế mạch tự điều chỉnh độ sáng để giúp có người học và làm việc có được một ánh sáng khi làm việc tốt nhất

1.2 Đối tượng nghiên cứu của đề tài:

Thực hiện đề tài dựa trên những nghiên cứu về vấn đề sau:

• Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của LED

• Cấu tạo, hoạt động của quang trở, đáp ứng sáng với mắt người

• Nguyên lý của các mạch điều rộng xung, các vi mạch tích hợp

1.3 Phương pháp và phương tiện nghiên cứu:

1.3.1 Phương pháp nghiên cứu

Trong quá trình nghiên cứu, sinh viên thực hiện chủ yếu dựa vào hai phương pháp chính:

- Phương pháp tham khảo tài liệu: Thu thập các tài liệu liên quan đến LED , kỹ thuật mạch điện tử Sau đó, sinh viên vận dụng các kiến thức hiện có để tổng hợp các tài liệu, sau cùng thiết kế

ra mạch điện phù hợp với các yêu cầu mà ban đầu đã đề ra

- Phương pháp quan sát và thực nghiệm: Sau khi đã có mạch theo tính toán lý thuyết, sinh viên thi công mạch thực tế theo đúng sơ đồ nguyên lý đã vạch ra Sử dụng các thiết bị đo để hiệu chỉnh mạch để có những đáp ứng đạt yêu cầu

1.3.2 Phương tiện nghiên cứu:

• Các tài liệu liên quan đến đề tài

• Máy đo độ rọi ánh sáng, dao động ký, VOM

• Máy tính

1.4 Ứng dụng và khả năng phát triển của đề tài:

1.4.1 Ứng dụng:

Đề tài có tính ứng dụng thực tiễn cao:

• Ứng dụng trong chiếu sáng tiết kiệm điện thay thế dần đèn sợi đốt và đèn huỳnh quang Với ưu điểm là tiết kiệm điện và tuổi thọ cao thì đèn LED hoàn toàn có thể thay thế các loại đèn chiếu sáng hiện nay

• Ứng dụng mạch điều khiển để điều chỉnh trong học tập và làm việc giúp tiết kiệm điện trong trường hợp ánh sáng tự nhiên nhiều, tránh hiện tượng chói mắt Giúp có được ánh sáng tốt nhất cho mắt

• Ứng dụng rông rãi trong các lĩnh vực sinh hoạt, học tập, sản xuất v.v

1.4.2 Khả năng phát triển của đề tài:

Phát triển đề tài để sản xuất những đèn có công suất cao hơn, chất lượng ánh sáng tốt hơn Phát triển mạch tự điều chỉnh độ sáng có độ nhạy hoạt động tốt và nhỏ gọn hơn

Chương 2: TỔNG QUAN VỀ LED

2.1 Diode bán dẫn:

2.1.1 Vật liệu bán dẫn:

Trong quá trình phân loại vật chất đối với quá trình dẫn điện, người ta chia ra thành ba loại: vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện và vật liệu bán dẫn

Chất dẫn điện là vật liệu cho phép dòng điện truyền qua nó

Chất cách điện là vật liệu không cho phép dòng điện truyền qua nó

Chất bán dẫn là vật liệu trung gian giữa vật liệu dẫn điện và vật liệu cách điện

Các chất bán dẫn được tạo thành từ hai loại: Các chất bán dẫn đơn chất là các nguyên tố thuộc

nhóm IV của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học Mặt khác, các chất bán dẫn hợp chất có thể

được hình thành từ các nguyên tố nhóm III và nhóm IV (thường gọi là hợp chất III-V), hay nhóm

II và nhóm VI (gọi là hợp chất II-VI) Chất bán dẫn hợp chất cũng bao gồm 3 nguyên tố, chẳng hạn như: Thủy ngân-Cadimi-telurit [mercury- cadmium-telluride]; Ga-Al-As [gallium-aluminum-arsenic]; Ga-In-Ar [gallium-indium-arsenic]; và Ga-In-P [gallium-indium- phosphide] Theo lịch

sử chế tạo các linh kiện bán dẫn thì Ge là một trong những chất bán dẫn đầu tiên được sử dụng Tuy nhiên, Ge đã được thay thế một cách nhanh chóng bởi Si dùng để chế tạo các dụng cụ bán dẫn quan trọng nhất hiện nay

Ngoài chất bán dẫn bằng Silicon được dùng nhiều, còn có các chất bán dẫn như: GaAr [gallium- arsenic] và InP [Indium-phosphide] là những chất bán dẫn thông dụng hiện nay, đó là những vật liệu quan trọng nhất trong việc chế tạo các cấu kiện quang điện tử như: diode phát quang (LED), công nghệ Laser và các bộ tách sóng quang v v

Nguyên tử Si ở nhóm IV trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học nên có 4 electron ở lớp ngoài cùng Vì vậy, vật liệu đơn tinh thể của Si hình thành bằng liên kết đồng hóa trị với 4

nguyên tử Si lân cận dưới dạng khối không gian ba chiều như hình:

Hình 2.1: Cấu trúc mạng tinh thể Si

Liên kết đồng hóa trị rất bền về mặt hóa học nhưng các điện tử hóa trị vẫn có thể hấp thụ các năng lượng đáng kể từ bên ngoài để bẻ gãy các liên kết đồng hóa trị tạo thành các điện tử tự do Dưới tác dụng của điện trường, ảnh hưởng của năng lượng ánh sáng dưới dạng các photon hay dưới tác động của nhiệt độ thì các điện tử hóa trị sẽ bẻ gãy các liên kết tạo thành các điện tử tự

do Các điện tử tự do mang điện tích âm còn các nguyên tử do bị mất electron nên mang điện tích dương

Trong thực tế, ưu điểm của chất bán dẫn được thể hiện khi các tạp chất được bổ sung vào các bán dẫn nguyên chất Mặc dù với nồng độ rất thấp nhưng chất bán dẫn mới được tạo thành có ý nghĩa điều chỉnh đặc tính dẫn điện của vật liệu rất tốt Các tạp chất thường được sử dụng là các nguyên tố thuộc nhóm III và nhóm V của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

Khi pha tạp các bán dẫn được lấy từ nhóm V các nguyên tố hóa học, có 5 electron ở lớp ngoài cùng, vào bán dẫn Si Các nguyên tố thường được sử dụng là Phosphorus, Arsenic và Antimony Khi một nguyên tử này thế một nguyên tử Si, do có 5 electron nên khi hình thành các liên kết với các nguyên tử Si thì còn dư một electron Electron này liên kết rất yếu với nguyên tử nên chỉ cần một năng lượng rất nhỏ là có thề bẻ gãy liên kết và tạo thành một điện tử tự do.Như vậy, ở nhiệt

độ phòng, các nguyên tử của tạp chất bị mất một electron và mang điện tích dương, tương đương điện tích không thay đổi trong mạng tinh thể không thay đổi Trong bán dẫn mới tạo thành do sự pha tạp này sẽ luôn thừa eclectron nên mang điện tích âm

Hình 2.2: Cấu trúc mạng tinh thể Si khi pha tạp P

Khi pha các tạp chất ở nhóm III vào bán dẫn Si, vì có 3 electron ở lớp ngoài cùng nên khi hình thành liên kết với các nguyên tử Si, các nguyên tử này còn thừa một khoảng trống trong cấu liên kết, các lổ trống rất dễ cho các điện tử xung quanh chuyển sang và hình thành các lỗ trống khác Các lỗ trống này xem như các hạt mang điện tích dương Vậy, bán dẫn mới tạo thành do sự pha tạp này luôn mang điện tích dương trong mạng tinh thể không thay đổi

Trong bán dẫn được pha tạp thì nồng độ của điện tử và lổ trống chênh lệch nhau rất nhiều: Nếu nồng độ điện tử lớn hơn nồng độ lổ trống, ta gọi là bán dẫn loại N

Nếu nồng độ lổ trống lớn hơn nồng độ điện tử, ta gọi là bán dẫn loại P

2.1.2 Vùng năng lượng trong bán dẫn:

Tính chất dẫn điện của các vật liệu rắn được giải thích nhờ lý thuyết vùng năng lượng Như ta biết điện tử tổn tại trong nguyên tử trên những mức năng lượng gián đoạn (các trạng thái dừng) Nhưng trong chất rắn, khi mà các nguyên tử kết hợp lại với nhau thành các khối, thì các mức năng lượng này bị phủ lên nhau, và trở thành các vùng năng lượng và sẽ có ba vùng chính

Hình 2.3: Các vùng năng lượng của chất rắn

• Vùng hóa trị (valence band): Là vùng có năng lượng thấp nhất theo thang năng lượng, là vùng mà điện tử bị liên kết mạnh với nguyên tử và không linh động

• Vùng dẫn (Conduction band): Vùng có mức năng lượng cao nhất, là vùng mà điện tử sẽ linh động (như các điện tử tự do) và điện tử ở vùng này sẽ là điện tử dẫn, có nghĩa là chất sẽ có khả năng dẫn điện khi có điện tử tồn tại trên vùng dẫn Tính dẫn điện tăng khi mật độ điện tử trên vùng dẫn tăng

• Vùng cấm (Forbidden band): Là vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, không có mức năng lượng nào do đó điện tử không thể tồn tại trên vùng cấm Nếu bán dẫn pha tạp, có thể xuất hiện các mức năng lượng trong vùng cấm (mức pha tạp) Khoảng cách giữa đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị gọi là độ rộng vùng cấm, hay năng lượng vùng cấm (Band Gap) Tùy theo độ rộng vùng cấm lớn hay nhỏ mà chất có thể là dẫn điện hoặc không dẫn điện

Như vậy, tính dẫn điện của các chất rắn và tính chất của chất bán dẫn có thể lý giải một cách đơn giản nhờ lý thuyết vùng năng lượng như sau:

• Kim loại có vùng dẫn và vùng hóa trị phủ lên nhau (không có vùng cấm) do đó luôn luôn

có điện tử trên vùng dẫn vì thế mà kim loại luôn luôn dẫn điện

• Các chất bán dẫn có vùng cấm có một độ rộng xác định Ở không độ tuyệt đối (0 K) mức Fermi nằm giữa vùng cấm, có nghĩa là tất cả các điện tử tồn tại ở vùng hóa trị, do đó chất bán dẫn

không dẫn điện Khi tăng dần nhiệt độ, các điện tử sẽ nhận được năng lượng nhiệt (k B T với k B là hằng số Boltzmann) nhưng năng lượng này chưa đủ để điện tử vượt qua vùng cấm nên điện tử vẫn ở vùng hóa trị Khi tăng nhiệt độ đến mức đủ cao, sẽ có một số điện tử nhận được năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm và nó sẽ nhảy lên vùng dẫn và chất rắn trở thành dẫn điện Khi nhiệt độ càng tăng lên, mật độ điện tử trên vùng dẫn sẽ càng tăng lên, do đó, tính dẫn điện của chất bán dẫn tăng dần theo nhiệt độ (hay điện trở suất giảm dần theo nhiệt độ) Một cách gần đúng, có thể viết sự phụ thuộc của điện trở chất bán dẫn vào nhiệt độ như sau:

Với: R0 là hằng số, ΔE g là độ rộng vùng cấm

Ngoài ra, tính dẫn của chất bán dẫn có thể thay đổi nhờ các kích thích năng lượng khác, ví dụ như ánh sáng Khi chiếu sáng, các điện tử sẽ hấp thu năng lượng từ photon, và có thể nhảy lên vùng dẫn nếu năng lượng đủ lớn Đây chính là nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi về tính chất của

chất bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng (quang-bán dẫn)

2.1.3 Tiếp giáp P-N và diode bán dẫn:

Tiếp giáp P-N là thành phần quan trọng trong các cấu kiện điện tử Một tiếp giáp p-n gọi là một diode

Diode đã được phát minh bởi Henry Dunwoody vào năm 1906 khi ông đặt một mẫu carborundum vào giữa hai vòng kẹp bằng đồng vào lò diện Sau đó một vài năm, Greeleaf Pickard đã phát minh bộ tách sóng vô tuyến tính Các nghiên cứu khác nhau được diễn ra trong khoảng thời gian từ 1906 dến 1940 đã cho thấy rằng silicon và germanium là những loại vật liệu rất tốt dùng để chế tạo các diode bán dẫn Nhiều vấn đề khó khăn đã được khắc phục về cấu trúc

và công nghệ chế tạo các diode

2.1.3.1 Cấu tạo diode:

Diode cấu tạo từ một tiếp giáp p-n khi ghép 2 bán dẫn

loại p va loại n lại với nhau ta được một tiếp giáp p-n

Tại mặt tiếp xúc của hai bán dẫn này sẽ xuất hiện một

lớp có tính chất khác hai lớp kia Bán dẫn loại n thừa

điện tích và bán dẫn loại p thừa lỗ trống thì các điện tích

và lỗ trống có xu hướng khuếch tán và hình thành một vùng có rất ít điện tử tự do gọi là vùng

nghèo tại bề mặt tiếp xúc p-n Việc này tạo thành một điện trường tiếp xúc có chiều tác dụng từ bán dẫn n sang bán dẫn loại p Điện trường này ngăn cản sự khuếch tán của các điện tử từ bán dẫn n qua lớp tiếp xúc Trạng thái này gọi là trạng thái cân bằng của diode

Cấu tạo của một diode được thể hiện trong hình 2.4 Trong cấu tạo của một diode bao gồm một tiếp giáp p-n với hai điện cực gắn với hai loại bán dẫn trân tiếp giáp p-n này Điện cực gắn với bán dẫn n gọi là anode (ký hiệu A) Điện cực gắn với bán dẫn loại p gọi là cathode

Hình 2.4: Cấu tạo diode bán dẫn Hình 2.5: Ký hiệu diode

2.1.3.2 Phân cực cho diode:

Trong các mạch điện tử, phân cực là đặt cuỡng bức nguồn một chiều (dc) lên cấu kiện bán

dẫn bằng nguồn ngoài (VD) Nếu nguồn điện áp với đầu dương của nguồn nối về phía anode và

đầu âm nối về phía cathode của diode thì gọi là phân cực thuận, (tức VD> 0), nếu đảo ngược

nguồn áp thì gọi là phân cực nghịch (VD < 0) Hình 1.6, cho thấy mạch của diode tiếp giáp pn

khi được phân cực thuận

Hình 2.6: Phân cực thuận cho diode

Khi phân cực thuận thì điện áp VD sẽ tạo ra điện trường chủ yếu đặt vào điện tích không gian

có chiều ngược lại với điện trường tiếp xúc sẽ làm suy giảm điện trường tiếp xúc một cách hiệu quả Điện áp tiếp xúc khi đó cũng sẽ giảm xuống Khi đó, các hạt tải điện là các electron và lổ trống khuếch tán vào hai vùng sẽ tạo ra dòng điện lớn chạy qua tiếp giáp p-n Khi đó, diode sẽ dẫn điện

Khi phân cực ngược thì đảo ngược điện áp VD Khi đó, chiều của điện trường ngoài cùng chiều với điện trường tiếp xúc làm cho điện áp tiếp xúc tăng lên Độ rộng vùng nghèo cũng tăng lên Lúc này, diode sẽ không cho dòng điện chay qua nó

2.1.3.3 Đặc tuyến volt-ampe của diode:

Đặc tuyến volt-ampe của diode là đồ thị mô tả mối quan hệ giữa dòng điện qua diode và điện

áp đặt vào hai đầu diode Đặc tuyến này được thể hiện trong hình 2.7 Trong đó, miền bên phải

đồ thi là miền phân cực thuận điện áp là điện áp ngưỡng dẫn, điện áp này phụ thuộc vào chất bán dẫn ( đối với bán dẫn Si và 0.3 đối với bán dẫn Ge) Khi điện áp VD > thì diode bắt đầu dẫn

Ở miền bên trái đồ thị là miền ngưng dẫn Điện áp VZ là ngưỡng điện áp đánh thủng Tức là,

tại ngưỡng điện áp thì sẽ làm cho diode bị hỏng

Hình 2.7: Đặc tuyến volt-ampe của diode

™ Một số loại diode thông dụng:

+ Diode bán dẫn: cấu tạo bởi chất bán dẫn Silic và Gecmani có pha thêm một số chất để tăng thêm electron tự do Loại này dùng chủ yếu để chỉnh lưu dòng điện

+ Diode Schottky: Ở tần số thấp, diode thông thường có thể dễ dàng khóa lại (ngưng dẫn) khi chiều phân cực thay đổi từ thuận sang nghịch, nhưng khi tần số tăng đến một ngưỡng nào đó,

sự ngưng dẫn không thể đủ nhanh để ngăn chặn dòng điện suốt một phần của bán kỳ ngược Diode Schottky khắc phục được hiện tượng này

+ Diode Zenner, còn gọi là "diode ổn áp": là loại diode thường sử dụng trong mạch ổn áp

Hình 2.8: Một số loại diode

+ Diode phát quang : hay còn gọi là LED (Light Emitting Diode) là các diode có khả năng

phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại Ta sẽ nghiên cứu kỹ ở phần sau

+ Diode thu quang : (photodiode): là loại nhạy với ánh sáng, có thể biến đổi ánh sáng vào

thành đại lượng điện

+ Điốt biến dung (varicap): Có tính chất đặc biệt, đó là khi phận cực nghịch, điốt giống như một tụ điện, loại này được dùng nhiều cho máy thu hình, máy thu sóng FM và nhiều thiết bị truyền thông khác

+ Diode xung: là loại diode làm việc ờ tần số cao

2.2 LED

Led ( light emeting diode) là loại diode phát quang có thể phát ra ánh sáng khi có điện áp phân cực thuận đặt lên nó Diode phát quang sẽ chuyển đổi dòng điện thành ánh sáng rất hiệu quả trong các loại hiển thị khác nhau, công suất tiêu thụ của LED thấp, tuổi thọ cao thích hợp với các ứng dụng về chiếu sáng, là giải pháp tiết kiệm điện trong chiếu sáng

2.2.1 Lịch sử phát triển của LED

Năm 1907, Henry Joseph Round đã phát minh ra led đầu tiên khi đặt một điện áp 10v vào tinh thể SiC ( carborundum) Sau đó, ông đặt điện áp 110v thì tinh thể này sáng rực

Sau đó, nhà khoa học Nga Oleg Vladimirovich Losev đã tạo ra LED đầu tiên, nghiên cứu sau

đó đã bị quên lãng do không có ứng dụng nhiều trong thực tiễn Năm 1955, Rubin Braunstein đã phát hiện ra sự phát xạ hồng ngoại bởi hợp chất GaAs(Gallium và Arsenide) và một số hợp chất bán dẫn khác

LED phát ánh sáng đỏ đầu tiên được phát triển vào năm 1962 bởi nhà nghiên cứu khoa học Nick Holonyak Jr trong khi ông đang công tác tại công ty General Electric

M George Craford George là người đã phát minh ra bóng LED có màu vàng đầu tiên có cường độ sáng gấp 10 lần ánh sáng của bóng LED màu đỏ và màu cam vào năm 1972 Năm

Năm 1968, Hewlett Packard giới thiệu đèn LED sử dụng bán dẫn GaAsP cho ra ánh sáng đỏ Đến đầu những năm 90 của thế kỷ 20,tổng công ty công nghiệp hóa chất Nichia, một nhóm các nghiên cứu sinh có Fuji Nakamura đã có nhìu đóng góp cho sự phát triển của đèn led, laser dựa trên nền bán dẫn GaN, GaInN

Năm 1997, Led có ánh sáng trắng ra đời dựa trên nền bán dẫn GaInN có hiệu suất phát sáng cao hơn các loại đèn sợi đốt hay đèn huỳnh quang, hiệu suất phát sáng đạt tới 300lm/W

2.2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của led:

2.2.2.1 Cấu tạo:

Led có cấu tạo từ những chất bán dẫn được pha tạp với các bán dẫn khác rồi tạo thành một tiếp giáp p-n Cấu tạo của led được thể hiện trong hình 2.9

Bán dẫn khi phát ra photon ánh sáng thì chì phát ra ánh sáng tại bề mặt vuông góc với bán dẫn

Vì vậy, trong cấu trúc của LED, các nhà sản xuất đặt tiếp giáp p-n trong một mặt nón gọi là “nón ánh sáng” “ Nón ánh sáng này có tác dụng phản quang để giúp có được tối đa ánh sáng cần thiết, tăng hiệu suất phát sáng của LED

Hình 2.9: Mô hình led thực tế và cấu tạo bán dẫn của led

Bảo vệ bên ngoài của LED là lớp vỏ nhựa trong suốt lớp vỏ nhựa này có 3 tác dụng như sau: + Giúp gắn LED một cách dễ dàng

+ Bảo vệ các dây dẫn và các câu trúc bên trong

+ Có tác dụng như một ống kính khuếch tán giúp thúc đẩy sự phát xạ ánh sáng từ trong chất bán dẫn

Vật liệu chế tạo LED là các liên kết của các bán dẫn với các nguyên tố ở nhóm III và nhóm V trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học như GaAs, GaAsP v.v Đây là các vật liệu tái hợp trực tiếp , có nghĩa sự tái hợp xảy ra giữa các điện tử ở sát đáy dải dẫn và các lỗ trống ở sát đáy dải hóa trị

2.2.2.2 Nguyên lý hoạt động của LED:

Hình 2.10: mô hình cấu tạo và ký hiệu của LED

Khi phân cực thuận cho LED, tức là đặt vào hai đầu LED một điện áp Khi đó, các hạt dẫn đa

số khuếch tán ồ ạt qua tiếp xúc p-n Khi các electron gặp lỗ trống, hiện tượng tái hợp xảy ra Lúc này các electron ở mức năng lượng cao rơi vào mức năng lượng thấp hơn và giải phóng năng lượng dưới hình thức một photon (hình 2.9)

Tốc độ tái hợp trong quá trình này tỉ lệ với nồng độ điện tử và lỗ trống trong 2 bán dẫn

Cường độ dòng điện qua led tỉ lệ với nồng độ hạt dẫn được “chích” các phần bán dẫn Do đó, cường độ phát quang của LED tỉ lệ với cường độ dòng điện qua LED

Điện áp phân cực cho LED gần bằng độ rộng vùng cấm của vật liệu bán dẫn Các led bức xạ ra các bước song khác nhau được cấu tạo từ những vật liệu bán dẫn có độ rộng vùng cấm khác nhau nên điện áp phân cực thuận cũng khác nhau Điện áp phân cực cho LED tương đối cao, khoảng từ 1.6V đến 3.5V Tuy nhiên, LED có điện áp phân cực ngược tương đối thấp (khoảng 5V)

Cấu tạo bán dẫn, để tạo ra màu sắc và điện áp phân cực thuận của các loại LED được thể hiện trong bảng sau:

Màu

sắc

Bước sóng(nm) Điện áp rơi(V) Vật liệu

Hồng

ngoại λ>760 ΔV<1.9

Gallium Arsenide(Ga-As) Aluminium Gallium Arsennde(AlGaAs)

Đỏ 610<λ<760 1.63<ΔV<2.03

Aluminium Gallium Arsennde(AlGaAs) Gallium Arsennde Phosphide(GaAsP)

Gallium Arsenide Phosphide(GaAsP) Aluminium Gallium Indium Phosphide(AlGaInP) Gallium(III) Phosphide(GaP)

Lục 500<λ<570 2.18<ΔV<4.0

Indium Gallium Nitride(InGaN) / Gallium(III)

Nitride(GaN) Gallium(III) Phosphide(GaP) Aluminium Gallium Indium Phosphide(AlGaInP) Aluminium Gallium Phosphide(AlGaP) Lam 450<λ<500 2.48<ΔV<3.7 Indium Gallium Nitride(InGaN) Zinc Selenide(ZnSe)

Tím 400<λ<450 2.76<ΔV<4.0 Indium Gallium Nitride(InGaN)

Tía 2.48<ΔV<3.7

Dual blue/red LEDs Blue with red phosphor White with purple plastic

Tử

ngoại λ<400 3.1<ΔV<4.4

Diamond(C) Aluminium Nitride(AlN) Aluminium Gallium Nitride(AlGaN) Trắng ΔV = 3.5 Blue/UV diode with yellow phosphor

Hình 2.11: Một số loại LED thông dụng

2.2.2.3 Đặc tuyến volt-ampe của LED

Đặc tuyến volt-ampe thể hiện mối quan hệ giữa điện áp đặt lên LED và dòng điện

Hình 2.12: Đặc tuyến volt-ampe của LED

Đặc tuyến volt-ampe của LED có dạng tương tự giống như đặc tuyến volt-ampe của diode Tuy nhiên, điện áp UD là điện áp phân cực trên LED, điện áp này phụ thuộc vào cấu tạo bán dẫn của mỗi loại LED Điện áp phân cực ngược của LED khá nhỏ, khoảng 5V

2.2.2.4 Ưu điểm của LED:

+ LED có hiệu suất phát sáng cao, công suất tiêu thụ thấp

+ LED có thể phát ra nhiều màu sắc nên không cần dùng các bộ lọc màu theo phương pháp truyền thống

+ Thời gian đáp ứng nhanh (khoảng micro giây), điều này rất quan trọng trong truyền thông tin sợi quang Có thể điều khiển độ sáng tối theo phương pháp điều rộng xung

+ LED có tuổi thọ cao, khoảng 35000 đến 50000 giờ , cao hơn gấp nhiều lần đèn huỳnh quang và đèn sợi đốt ( khoảng 5000 đến 8000 giờ)

Hình 2.12: Một số ứng dụng của LED

Chương 3: THIẾT KẾ ĐÈN CHIẾU SÁNG SỬ DỤNG LED

3.1 Đèn chiếu sáng sử dụng LED 5mm

3.1.1 Yêu cầu :

Thiết kế đèn có công suất từ 15w – 25w sử dụng điện áp 220V xoay chiều

Đo cường độ dòng điện, điện áp, và độ rọi ánh sáng

3.1.2 Thiết kế

Chọn led 5mm ánh sáng trắng, lùn của hãng KING sản suất

Thông số kỹ thuật của led

Điện áp: 3,2v -3,4v

Màu sắc: trắng sáng (cool while)

Cấu tạo bán dẫn : GaInN

Chọn số lượng bóng : 280 bóng , mắc song song 4 dãy Led, mỗi dãy 70 led mắc nối tiếp Chọn điện áp: vì Led là linh kiện bán dẫn chỉ hoạt động tốt và ổn định ở điện áp một chiều nên

sử dụng nguồn 220AC qua cầu chỉnh lưu

Hình 3.1: Sơ đồ mạch nguồn dc

Điện áp VDC được tính qua công thức gần đúng:

Điện áp rơi trên mỗi LED là 3.2v, vì vậy:

Chọn điện trở hạn dòng :

Chọn điện trở có giá trị , công suất 5W

Dòng qua led:

Công suất của 1 led:

Công suất tiêu tán trên điện trở:

Công suất của đèn: